催化剂设计的革命性变革：新研究将结构与反应性能联系起来

催化剂设计的革命性变革：新研究将结构与反应性能联系起来 一个研究小组推出了一个新的研究框架，简化了对催化剂结构如何影响其反应的理解，这是在应对气候变化和实现可持续发展方面取得的一项重大进展。研究人员取得突破的详细情况发表在《Angewandte Chemie》杂志上。了解催化剂表面如何影响其活性有助于设计出满足特定反应要求的高效催化剂结构。然而，鉴于电催化剂复杂的界面微环境，要掌握这种关系背后的机理并非易事。东北大学材料科学高等研究所（WPI-AIMR）副教授、论文通讯作者李浩指出："为了破解这一难题，我们对氧化锡催化剂中的电化学二氧化碳还原反应（CO2RR）进行了深入研究。这样，我们不仅揭示了二氧化锡基催化剂在二氧化碳还原过程中的活性表面物种，还建立了表面物种与二氧化碳还原性能之间的明确相关性。"标准研究范式揭示了二氧化锡电化学二氧化碳还原反应（CO2RR）的结构-性能-活性关系。这幅图片说明了氧空位（1/1 ML 覆盖率）和表面活性物种（锡层）引起的表面重构，它们对选择性 HCOOH 的产生负有责任。CO2RR 被认为是减少二氧化碳排放和生产高价值燃料的一种可行方法，其中甲酸（HCOOH）因其在制药、冶金和环境修复等行业的广泛应用而成为一种值得关注的产品。所提出的方法有助于确定二氧化锡在特定电催化条件下进行二氧化碳还原反应的真正表面状态。此外，研究小组还通过使用不同形状的二氧化锡和先进的表征技术进行实验，证实了他们的发现。李和他的同事将理论研究与实验电化学技术相结合，开发出了他们的方法。"我们弥合了理论与实验之间的差距，提供了对催化剂在实际工艺条件下行为的全面了解，"李补充道。研究小组目前正致力于将这种方法应用于各种电化学反应。在此过程中，他们希望能发现更多独特的结构-活性相关性，从而加快高性能和可扩展电催化剂的设计。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

催化剂将氢电解器中的铱用量减少了95%

催化剂将氢电解器中的铱用量减少了95% 访问：Saily - 使用eSIM实现手机全球数据漫游 安全可靠 源自NordVPN 日本理化学研究所可持续资源科学中心（CSRS）的中村隆平（Ryuhei Nakamura）领导的研究人员在今天（5 月 9 日）发表在《科学》杂志上的一项研究中报告了一种新方法，该方法将反应所需的铱量减少了 95%，而且不会改变氢的生产率。这一突破将彻底改变我们生产生态友好型氢气的能力，并有助于实现碳中和的氢经济。合成氧化铱的扫描电子显微镜图像（D）和分散在电沉积在耐腐蚀铂涂层钛网上的氧化锰上的铱（亮点）的扫描透射电子显微镜图像（E、F、G）。资料来源：理化学研究所制氢挑战世界上 70% 的面积被水覆盖，氢气是真正的可再生能源。然而，从水中提取氢气的规模还无法与化石燃料能源生产相媲美。目前，全球能源产量接近 18 兆瓦，这意味着在任何特定时刻，全球平均生产约 18 万亿瓦特的电力。替代性绿色能源生产方式要想取代化石燃料，就必须能够达到相同的能源生产率。从水中提取氢气的绿色方法是一种需要催化剂的电化学反应。这种反应的最佳催化剂产氢率最高、最稳定的催化剂是稀有金属，其中铱是最好的催化剂。但铱的稀缺是个大问题。共同第一作者孔爽说："铱是如此稀有，以至于将全球氢气生产规模扩大到太瓦级估计需要40年的铱。"催化剂开发的创新理化学研究所 CSRS 的生物功能催化剂研究小组正试图绕过铱的瓶颈，寻找其他方法来长时间高速生产氢气。从长远来看，他们希望开发出基于普通土金属的新型催化剂，这种催化剂将具有高度的可持续性。事实上，该团队最近使用一种氧化锰作为催化剂，成功地将绿色制氢稳定在一个相对较高的水平。不过，以这种方式实现工业水平的生产还需要数年时间。中村隆平说："我们需要一种方法来弥合稀有金属电解槽与普通金属电解槽之间的差距，这样我们就能在多年内逐步过渡到完全可持续的绿色氢气。"目前的研究正是通过将锰与铱相结合来实现这一目标。研究人员发现，当他们把铱原子分散在一块氧化锰上，使它们不会相互接触或凝结在一起时，质子交换膜（PEM）电解槽中的氢气产生速度与单独使用铱时相同，但铱含量减少了 95%。潜力和未来方向使用这种新型催化剂，可以连续生产氢气超过 3000 小时（约 4 个月），效率高达 82%，且无降解。合著者李爱龙说："氧化锰和铱之间意想不到的相互作用是我们取得成功的关键。这是因为这种相互作用产生的铱处于罕见的高活性 +6 氧化态"。中村隆平认为，新催化剂达到的制氢水平极有可能立即派上用场。他说："我们希望我们的催化剂能够很容易地转移到现实世界的应用中，这将立即提高目前 PEM 电解器的容量。"研究小组已经开始与工业界的合作伙伴合作，他们已经能够改进最初的铱锰催化剂。今后，理化学研究所 CSRS 研究人员计划继续研究铱和氧化锰之间的特定化学作用，希望能进一步减少必要的铱含量。同时，他们将继续与工业合作伙伴合作，并计划在不久的将来在工业规模上部署和测试这种新型催化剂。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

中国石化投资成立催化剂公司 含新材料技术研发业务

中国石化投资成立催化剂公司 含新材料技术研发业务 企查查 APP 显示，近日，中石化催化剂（上海）有限公司成立，注册资本为 1.64 亿元，经营范围包含：新型催化材料及助剂销售；专用化学产品销售（不含危险化学品）；新材料技术研发；生态环境材料销售；电子专用材料销售等。企查查股权穿透显示，该公司由中国石化 (600028) 间接全资持股。

新发现的有机催化剂可替代铂而大大降低燃料电池的成本

新发现的有机催化剂可替代铂而大大降低燃料电池的成本 大气中的二氧化碳含量已达到前所未有的高度，这就更加需要清洁能源解决方案来替代化石燃料。研究人员面临的一个障碍是，目前的燃料电池技术依赖于使用昂贵的金属催化剂（如铂）来将氢气转化为能量；然而，弗吉尼亚大学艺术与科学学院和研究生院的一个研究小组发现了一种有机分子，它可以有效地替代传统的金属催化剂，而且成本更低。燃料电池使电动汽车、工业和民用发电机成为可能，也是储存风能或太阳能所需的能源，它使用铂等金属引发化学反应，将氢气等燃料分裂成质子和电子，然后利用这些质子和电子发电。到目前为止，稀有金属催化剂的有机替代品还不被认为是实用的，因为催化过程会导致它们分解成不再有用的组成部分。然而，在《美国化学学会杂志》上发表的一篇论文中，化学副教授查尔斯-马坎和迈克尔-希林斯基，以及博士生艾玛-库克和安娜-戴维斯，发现了一种由碳、氢、氮和氟组成的有机分子，它有可能成为一种实用的替代品。马坎说，这种分子不仅可以启动氧气的还原反应（这是燃料电池内部发生的反应），还可以继续与反应产物发生反应，然后恢复到原来的状态。这些分子在大多数分子降解的条件下都很稳定，而且它们能持续获得与过渡金属催化剂水平相当的活性。查尔斯-马坎（左）和迈克尔-希林斯基（右）发现了一种有机分子，它可以取代燃料电池中稀有而昂贵的金属。资料来源：弗吉尼亚大学这一发现为寻找使用可持续性更强、生产成本更低的材料的高效燃料电池迈出了重要一步，并有可能在未来五到十年内开发出下一代燃料电池。"这种分子本身可能无法应用于燃料电池，"马坎说。"这一发现表明，可以存在碳基催化材料，如果用某些化学基团对其进行修饰，就有望将其转化为氧气还原反应的催化剂。最终的目标是将这种分子如此稳定的特性整合到大块材料中，以取代铂的使用。"希林斯基的研究小组主要研究有机化学，他强调了研究小组跨学科性质的重要性。"希林斯基说："我们用作催化剂的这种分子在我的实验室已有历史，但我们一直在研究它在化学反应中的用途，这些反应是在更大的含碳分子上进行的，比如药物中的活性成分。"如果没有查理-马坎的专业知识，我不认为我们会把它与燃料电池化学联系起来"。这一发现还可能对过氧化氢的工业生产产生影响，过氧化氢是一种家用产品，也可用于造纸和废水处理。"制造过氧化氢的过程对环境不友好，而且非常耗能，"马坎说。"它需要对甲烷进行高温蒸汽重整，以释放出用于生成过氧化氢的氢气。"他的团队的研究成果还可以改进该工艺的催化部分，从而对工业和环境以及水处理技术产生积极影响。希林斯基还指出，这一发现以及由此引发的合作所产生的影响可能远远超出能量储存的范围。"从大的方面来说，这项研究最令人兴奋的一点是，通过使催化剂电气化，我们改变了催化剂的反应方式。这是意料之外的事情，也可能对药物合成有用，我的研究小组正急于探索这一点。"马坎的研究小组主要从事分子电化学研究，他还将这一发现归功于研究小组的跨学科性质。"如果没有小组在制造能够进行必要反应的稳定有机分子方面的专有技术，这项工作就不可能完成。这种独特的有机分子使我们能够做到通常只有过渡金属才能做到的事情，"马坎说。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

科学家发现足够廉价的燃料电池催化剂关键成分

科学家发现足够廉价的燃料电池催化剂关键成分 然而，要在这些铁氮碳催化剂的耐久性和效率之间取得平衡却并非易事，因此这一过程充满了挑战。虽然他们已经成功地使催化剂具有持久性或高性能，但同时实现这两个属性仍然是一个巨大的障碍。布法罗大学领导的一项新研究可能会提供一种解决方案。在《自然-催化》杂志上，研究人员报告了如何在制造过程中加入氢气，从而制造出接近铂金性能的强效催化剂。前排中间的吴刚正在努力降低与生产气候友好型燃料电池相关的成本。图片来源：布法罗大学 Douglas Levere。这一进展表明，燃料电池技术在帮助汽车、卡车、火车、飞机和其他重型车辆实现无污染供电的潜力方面迈出了重要一步。"多年来，科学界一直在努力平衡这种权衡。我们可以制造出低成本的有效物质，但它们太容易降解。或者，我们可以制造出非常稳定的物质，但其性能却无法与铂相提并论。"这项研究的通讯作者、工程与应用科学学院化学与生物工程系教授吴刚博士说："通过这项工作，我们朝着解决这个问题迈出了一步。这项工作建立在吴领导的先前研究基础之上，该研究描述了铁-氮-碳催化剂，虽然这种催化剂经久耐用，但却难以加快燃料电池中的重要化学反应。新研究在一种名为热解的制造工艺中解决了这一局限性，该工艺涉及使用极高的温度来组合材料。在高温分解过程中，研究人员在高温舱中将四个氮原子与铁结合在一起。然后，他们将这种材料嵌入几层石墨烯中，石墨烯是一种坚韧、轻盈、柔韧的碳。通常，这一过程是在一个装有氩气等惰性气体的腔体内进行的。但这次，研究人员将氢气送入舱内，形成了 90% 的氩气和 10% 的氢气混合物。因此，研究人员能够更精确地控制催化剂的构成。具体来说，他们能够将两种不同的铁-氮-碳化合物（一种含有 10 个碳原子，另一种含有 12 个碳原子）置于有助于提高耐久性和效率的位置。由此产生的催化剂达到了燃料电池的初始性能，远远超过了能源部 2025 年的目标。事实证明，它比大多数铁氮碳催化剂更耐用，接近燃料电池使用的典型低铂阴极。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

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