北理工研究人员设计的电催化剂促进了清洁氢气的生产效率

北理工研究人员设计的电催化剂促进了清洁氢气的生产效率北京理工大学的研究人员设计了一种具有非晶相和晶相以及丰富缺陷的电催化剂，可以更有效地分解水并产生清洁燃烧的氢气。图片来源：纳米研究能源，清华大学出版社研究人员的研究结果最近发表在《纳米研究能源》杂志上。中国科学院教授李翠玲表示：“由可再生能源驱动的水电解制氢，即利用电流分解水，将氢气与氧气分离，是缓解和解决能源和环境危机的一项有前景的技术。”析氧反应是水电解的阳极反应，其中直流电引起化学反应，将氧分子从水分子中分离出来。然而这种反应是“一个缓慢的过程”，它限制了水电解作为生产氢气的可持续机制。据李说，析氧反应很慢，因为它需要大量的能量来触发分子转移其成分，但如果与更高效的催化剂结合，可以用更少的能量加速。开发用于析氧反应的高效电催化剂对于开发用于清洁能源转换的电化学装置至关重要，研究人员转向氧化钌，这是一种成本较低的催化剂，与其他催化剂相比，它对反应物和中间体的粘附更少。李说：“与商业产品相比，氧化钌基纳米材料具有更好的析氧反应性能，而迫切需要更复杂的电催化剂设计策略来激发更有效的催化性能，并且在很大程度上尚未得到探索。”为了填补这一空白，研究人员合成了氧化钌多孔颗粒。然后，他们处理颗粒以产生合理调节的异相，这意味着颗粒包含集成在一起的不同结构。多孔和多相结构提供了一种缺陷-本质上是原子结构中的缺口，这使得析氧反应能够更有效地进行更多的活性位点。李说：“得益于所得样品的丰富缺陷、晶体边界和活性位点可及性，证明了优异的析氧反应性能。工程电催化剂不仅能产生更好的析氧反应，而且还可以产生更好的析氧反应。为该过程提供更少的电力。这项研究证明了相工程的重要性，并为策略组合催化剂的设计和合成提供了新途径。”...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1368041.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1368041.htm

纳米波纹石墨烯成为强大的催化剂

纳米波纹石墨烯成为强大的催化剂科学家们发现，石墨烯中的纳米波纹使它成为一种强大的催化剂，尽管它被认为是化学惰性的。他们发表在PNAS上的研究表明，石墨烯表面的纳米级波纹可以加速氢气的分裂，就像最好的金属基催化剂一样，而且这种效应可能存在于所有二维材料中。本周发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上的研究表明，表面有纳米级波纹的石墨烯可以加速氢气的分裂，就像最好的金属基催化剂一样。这种意想不到的效果可能存在于所有二维材料中，这些材料本身都是不平坦的。曼彻斯特团队与来自中国和美国的研究人员合作进行了一系列的实验，以证明石墨烯的非平坦性使其成为一种强大的催化剂。首先，利用超灵敏的气流测量和拉曼光谱，他们证明了石墨烯的纳米级波纹与它与分子氢（H2）的化学反应性有关，并且它解离成原子氢（H）的活化能相对较小。顶部有离解氢原子的波纹石墨烯。资料来源：曼彻斯特大学研究小组评估了这种反应性是否足以使该材料成为高效的催化剂。为此，研究人员使用了氢气和氘气（D2）的混合气体，发现石墨烯确实表现为一种强大的催化剂，将氢气和D2转化为HD。这与石墨和其他碳基材料在相同条件下的行为形成了鲜明的对比。气体分析显示，单层石墨烯产生的HD量与已知的氢气催化剂（如氧化锆、氧化镁和铜）大致相同，但石墨烯只需要极少量，不到后者催化剂的100倍。"我们的论文表明，独立的石墨烯与化学性质极其惰性的石墨和原子平坦的石墨烯都有很大不同。"论文第一作者孙鹏展博士说："我们还证明了与石墨烯表面的空位、边缘和其他缺陷等'通常嫌疑人'相比，纳米级的波纹对催化作用更为重要。"论文的第一作者Geim教授补充说："由于热波动和不可避免的局部机械应变，所有原子级薄的晶体都会自然发生纳米波纹，其他二维材料也可能显示出类似的增强反应性。至于石墨烯，我们当然可以期待它在其他反应中具有催化和化学活性，而不仅仅是涉及氢气的反应。""二维材料最常被认为是原子级的平板，由不可避免的纳米级波纹造成的影响至今被忽视。我们的工作表明，这些影响可能是戏剧性的，这对二维材料的使用有重要影响。例如，块状硫化钼和其他茂金属经常被用作三维催化剂。现在我们应该想一想，它们在二维形式下是否会更加活跃"。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1349743.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1349743.htm

从水中提取清洁燃料 - 一种突破性的低成本催化剂被发明出来

从水中提取清洁燃料-一种突破性的低成本催化剂被发明出来由美国能源部（DOE）阿贡国家实验室（ArgonneNationalLaboratory）领导的一个多机构团队开发出了一种低成本催化剂，用于从水中产生清洁氢气的过程。其他贡献者包括能源部的桑迪亚国家实验室、劳伦斯伯克利国家实验室以及Giner公司。阿贡高级化学家Di-JiaLiu说："一种名为电解的工艺可以从水中产生氢气和氧气，这种工艺已经存在了一个多世纪。"他还在芝加哥大学普利兹克分子工程学院担任联合职务。质子交换膜（PEM）电解器代表了这一过程的新一代技术。它们能在接近室温的条件下以更高的效率将水分离成氢和氧。能源需求的减少使其成为利用太阳能和风能等可再生但间歇性能源生产清洁氢气的理想选择。高级化学家Di-JiaLiu在管式炉内检查热处理后的催化剂样品，博士后ChenzhaoLi正在搬运用于催化剂合成的压力反应器。图片来源：阿贡国家实验室这种电解器的每个电极（阴极和阳极）都使用不同的催化剂。阴极催化剂产生氢气，而阳极催化剂形成氧气。问题在于阳极催化剂使用的是铱，而铱目前的市场价格约为每盎司5000美元。铱的供应不足和高昂的成本成为PEM电解槽广泛应用的主要障碍。新催化剂的主要成分是钴，其价格比铱便宜得多。Liu说："我们试图在PEM电解槽中开发一种低成本阳极催化剂，这种催化剂能以高产能产生氢气，同时能耗极低。通过使用我们的方法制备的钴基催化剂，可以消除在电解槽中生产清洁氢气的主要成本瓶颈。Giner公司是一家致力于电解槽和燃料电池商业化的领先研发公司，该公司利用其PEM电解槽测试站在工业运行条件下对新型催化剂进行了评估。其性能和耐用性远远超过了竞争对手的催化剂。要进一步提高催化剂的性能，重要的是了解电解槽运行条件下原子尺度的反应机制。研究小组利用阿贡高级光子源(APS)的X射线分析，破解了催化剂在工作条件下发生的关键结构变化。他们还在桑迪亚实验室和阿贡纳米材料中心（CNM）使用电子显微镜确定了催化剂的关键特征。APS和CNM都是能源部科学办公室的用户设施。阿贡材料科学家文建国说："我们对新催化剂在不同制备阶段的表面原子结构进行了成像。此外，伯克利实验室的计算建模揭示了催化剂在反应条件下的耐久性的重要见解。该团队的成就是能源部氢能源地球射击计划（HydrogenEnergyEarthshotinitiative）向前迈出的一步，该计划模仿了20世纪60年代美国太空计划的"月球射击"（MoonShot）。该计划的宏伟目标是在十年内将绿色氢气的生产成本降至每公斤一美元。以这样的成本生产绿色氢气可以重塑国家经济。其应用领域包括电网、制造、运输以及住宅和商业供暖。Liu指出："更广泛地说，我们的研究成果为用成本更低、资源更丰富的元素取代昂贵的贵金属催化剂开辟了一条充满希望的道路"。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1372121.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1372121.htm

非凡的新催化剂片能廉价地从海水中分离出氢气

非凡的新催化剂片能廉价地从海水中分离出氢气澳大利亚巨大的可再生能源潜力和以出口为重点的经济使其有能力在国际上进行大批量竞争。但是，作为一个以沙漠为主要地貌的大陆，它也非常清楚水资源的短缺和将其土地的生命线运往海外的危险性。生产每公斤（2.2磅）氢气需要9升（2.4加仑）淡水，这是个坏兆头。用海水制造绿色氢气比用淡水更难，首先需要考虑腐蚀问题，然后是需要应对大量杂质和微生物，再者需要靠近可再生能源的沿海地区--对于像澳大利亚这样大且相对空旷的国家来说，这不是一个问题，但在其他地方绝对是一个因素。在某种程度上还需要考虑在完成盛产后将什么放回海洋中，是否创造了危险的盐度水平或将高浓度的有毒氯气排放回海洋环境中。但好处是相当巨大的：当使用海水时，不仅供水是几乎免费的，而且如果这些氢气在当地被燃烧或通过燃料电池运行，排放出的淡水过滤后还可以浇灌干旱的土地。因此，目前有很多团队正在研究从海水中产生绿色氢气的电解技术。早在12月，我们看了一个高效的中国设备，它利用蒸汽压差自发地从海水中蒸发出纯水，然后进行电解。几周前，另一个国际团队发现了一种标准电解器的表面处理方法，使其在海水中也能正常运行。而早在2021年，我们关注了沙特阿拉伯的一种非常令人兴奋的方法，它不仅可以捕获氢气，还可以捕获可销售的氯气和电池级磷酸锂，这将解决另一个全球问题，并且在这个过程中看起来是非常好的生意。上图：催化剂有望廉价且易于规模化生产。底部：电极上的氢进化反应（HER）和氧进化反应（OER）RMIT今天，澳大利亚皇家墨尔本理工大学的科学家们宣布了另一种具有巨大潜力的方法，即直接从海水中产生高效、低成本的绿色氢气，而不产生氯气。"使用海水的最大障碍是氯，它可以作为副产品产生。"刚刚发表在同行评议的Wiley杂志《Small》上的一篇论文的首席研究员NasirMahmood博士说。"如果我们不首先解决这个问题就满足世界上的氢气需求（使用海水），我们每年会产生2.4亿吨氯气--这是世界上氯气需求量的三到四倍。用氢气生产替代化石燃料制造的氢气是没有意义的，它可能会以不同的方式破坏我们的环境。我们的工艺不仅省略了二氧化碳，而且也没有氯的产生"。皇家墨尔本理工大学的设备使用了一种由氮掺杂的磷化镍（NiMo3P）片制成的新型催化剂。在每个片状层中都有大量孔隙，旨在加速催化活性和质量转移。透射电子显微镜显示氮掺杂的磷化钼镍的纳米级片材中的孔隙研究小组说，氮的掺入发挥了一些功能，包括增加导电性，优化电子密度和表面化学，以及在薄片中为水催化创造新的活性点。当氮与表面金属结合时产生的电负性有助于阻止不需要的离子和分子接触催化剂的表面，而表面上存在的磷酸盐、硫酸盐、硝酸盐和羟基离子则有助于阻挡胆碱并防止腐蚀。实验中，该团队发现这种催化剂表现出了出色的效率，并完全抑制了氯气的产生。"在碱性电解质和海水中，N-NiMo3P片表现出特殊的HER[氢进化反应]过电位值，在10mAcm-2时分别为23和35mV，"研究报告写道。此外，对于完全的水分离，在碱性电解质和海水中分别只需要1.52和1.55伏就可以达到10毫安厘米-2。这些特殊的结果表明，通过调节二维材料的结构和组成，可以从海水中产生低成本的氢气。""这些新的催化剂运行所需的能量非常少，可以在室温下使用，"Mahmood在一份新闻稿中介绍说，它们也应该是相对便宜的，并且容易在绿色氢气市场预计需要的巨大规模下生产。从左到右。MuhammadWaqasKhan博士、NasirMahmood博士和SurajLoomba先生，他们是皇家墨尔本理工大学从事这项研究的团队的成员。Muhammad说："为了真正实现可持续发展，我们使用的氢气在整个生产周期中必须是100%无碳的，而且不能削减世界上宝贵的淡水储备。我们直接从海水中生产氢气的方法是简单的、可扩展的，并且比目前市场上的任何绿色氢气方法更具成本效益。随着进一步的发展，我们希望这能推动在澳大利亚建立一个繁荣的绿色氢气产业"。随着研究的继续，该团队将转而扩大规模。下一步是建立一个运行这些催化剂片堆的原型电解器系统，以生产大量的氢气，并开始优化系统规模的效率。Mahmood认为，这项技术可以帮助实现澳大利亚政府的目标，即以2澳元/公斤（1.40美元/公斤）的价格生产绿色氢气，在这个水平上，它与使用化石燃料生产的肮脏氢气相比，具有成本竞争力。对于公司大量投资于大规模绿色氢气生产，他们需要知道他们可以做到有利可图，并与其他氢气和燃料来源竞争。让我们拭目以待，当然希望这些海水分离的创新在资产负债表上的效果和在实验室里的效果一样好。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1344291.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1344291.htm

酝酿数十年：新催化剂将可使氢气燃料电池变得经济实惠

酝酿数十年：新催化剂将可使氢气燃料电池变得经济实惠几十年来，生态友好燃料的商业化一直因铂金的高成本而停滞不前，但一项研究表明，低成本的催化剂可能是一种可行的替代品。多年来，研究人员一直在寻找一种能大大降低生产氢气燃料电池价格的催化剂。这样的突破可以带来一场绿色能源革命，笔记本电脑和火车都可以使用只产生水作为副产品的燃料。资料图根据水牛城大学(UB)最近的研究结果，研究人员可能越来越接近于实现这一目标。目前，美国能源部(DOE)已经将效率、耐久性和可负担性确定为燃料电池研究的三个主要目标。在最近发表在《NatureEnergy》上的一项研究中，科学家们解释了铁是如何跟氮和碳结合在一以产生一种满足所有三个标准的催化剂。该研究的论文第一作者、UB工程和应用科学学院化学和生物工程教授GangWu说道：“这已经酝酿了多年。我们相信这是一个重大的突破，进而最终将有助于释放氢燃料电池的巨大潜力。”燃料电池的前景根据美DOE的说法，燃料电池的操作跟电池类似但不会失去动力或需要充电。只要提供燃料如氢气，它们就会产生热量和动力。由于它们跟内燃机相比产生较少或没有排放，所以它们长期以来一直吸引着科学家、环保主义者和其他人。此外，它们还有广泛的用途，包括为建筑物、发电厂、汽车和其他系统供电。然而燃料电池缺乏广泛的商业化，除其他外，是由于加速关键燃料电池过程所需的昂贵催化剂的高成本。一组被称为铂族金属的六种贵金属已被证明是最有效的催化剂。虽然这些金属是高效和持久的，但由于其稀缺性，它们的成本非常高。因此，研究人员正在寻找成本更低的选择。克服障碍铁基催化剂就是这样一种选择。铁非常有吸引力，因为它很丰且价格低廉。但它的性能不如铂金，特别是因为它缺乏耐久性从而无法承受燃料电池内的高度腐蚀性和氧化性环境。为了克服这一障碍，研究小组将四个氮原子跟铁结合起来。研究人员随后将该材料嵌入几层石墨烯中以对局部几何和化学结构进行精确的原子控制。由此产生的结构是一个大大改善的催化剂。按照研究小组的说法，这种催化剂被认为是迄今为止生产的最有效的铁基催化剂--超美国能源部2025年的电流密度目标；另外，它还实现了接近铂族催化剂的耐久性等级。Wu表示，所有这些都表明，铁基催化剂有可能使燃料电池，尤其是氢燃料电池，在商业用途上更加实惠。现在，研究人员正在计划进行后续研究以进一步改进该催化剂。PC版：https://www.cnbeta.com/articles/soft/1301589.htm手机版：https://m.cnbeta.com/view/1301589.htm

纳米线创新：科学家以更高的耐用性革新燃料电池

纳米线创新：科学家以更高的耐用性革新燃料电池电极中垂直排列的同轴纳米线，质子在纳米线内部的离子芯中传输。铂纳米薄膜外壳中传输的电子与氧气结合，完成燃料电池阴极反应。来源：LANL与其他设计相比，这种创新电极由不易腐蚀的纳米线组成，是聚合物电解质膜燃料电池的核心，它可以让燃料电池使用氢气作为汽车的无排放动力。洛斯阿拉莫斯国家实验室团队的科学家雅各布-斯本德洛（JacobSpendelow）在《先进材料》（AdvancedMaterials）杂志上介绍了他们的研究成果。"这项工作表明，我们可以摆脱传统的碳基催化剂载体，消除与碳腐蚀相关的降解问题，同时还能实现较高的燃料电池性能"。耐久性的增强使这种燃料电池有望应用于重型卡车，在这种应用中，燃料电池的寿命必须超过25000小时。同轴纳米线电极（CANE）由垂直排列的纳米线阵列组成，其中每根纳米线都由催化活性铂膜构成，铂膜围绕着离子传导聚合物芯。通过避免使用碳基催化剂支架，CANE消除了与碳腐蚀相关的常见降解机制。为了评估新型燃料电池的耐用性，洛斯阿拉莫斯国家实验室的团队进行了加速应力测试。值得注意的是，在针对支持材料进行了5000次应力测试循环后，CANE的性能损失仅为2%。相比之下，传统的碳基电极性能则下降了惊人的87%。同轴纳米线方法是洛斯阿拉莫斯国家实验室开发的几种新型燃料电池设计之一。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1380263.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1380263.htm