革命性的光催化剂有望让氨成为一种清洁燃料

革命性的光催化剂有望让氨成为一种清洁燃料氢气是一种非常有前途的清洁燃料，可以燃烧，或通过燃料电池直接转化为电能。然而，它既昂贵又难以处理，因为它是一种超轻的气体，需要压缩到700个大气压，或者在绝对零度以内低温冷却以达到其液体状态。氨是著名的比氢气本身更好的氢气载体；它的每个氮原子都与三个氢原子结合，虽然它具有腐蚀性，在高浓度下极其危险，但它在大气温度和压力下又是一种稳定的液体，它在许多行业的广泛使用意味着人们在各种条件下有大量的安全处理经验。如前所述，氨携带氢气的能力非常强，但如果你想使用这些氢气，则需要"破解"它，把氢气弄出来，再把无害的氮气释放回大气中。这有两个主要难点：首先，裂解反应是需要耗费能源的，所以大多数氨裂解是在大型设施中进行的，操作温度至少为650-1000℃（1200-1800°F）。其次，裂解操作所需的热催化剂通常是铂族金属，如钌--相对稀有和昂贵。随着绿色氢气运动作为向清洁能源过渡的一个关键支柱而不断升温，你可以看到为什么莱斯大学的团队对发现一种紧凑和高效的方式来催化室温下的这种裂解反应感到兴奋，因为它只使用铜和铁。该团队的"天线-反应器"光催化剂通过嵌入"反应器"催化剂中的小型"天线"粒子收集光线，从而为其提供催化各种化学反应所需的能量这个团队花费了30多年开发了其"天线-反应器"质子光催化剂。这些是催化剂的纳米颗粒，点缀着小块的"天线"材料，旨在增加催化剂吸收光线的能力。经过适当的调整，这些反应粒子从环境光中吸收能量--无论是太阳光，还是来自低能量LED的光--并踢出短命的"热电子"，其能量足以启动有效的化学反应，即使在环境温度下也是如此。天线-反应器光催化剂可以被设计用于各种反应。例如，我们几周前写过的光能硫化氢转化为氢气的催化剂，其背后是同一个团队，基本上也是同一个基本想法。那个催化剂使用二氧化硅作为"反应器"，用微小的金颗粒作为"天线"从光中吸收能量。这种氨裂解光催化剂使用铁作为其反应器，铜作为其光收集天线--这两种金属都很便宜和丰富，与今天使用的典型铜钌热催化剂不同。据莱斯大学校友和研究报告的共同作者HosseinRobatjazi称，在实验室测试中，"在照明下，铜-铁显示出与铜-钌相似的效率和反应性，并可与之相媲美"。在最初的实验室测试中使用的小型激光动力电池（左）与Syzygy的更大的激光动力测试设备SyzygyPlasmonics的对比最初的测试是在一个很小的实验装置中使用激光器提供的光进行的。但是研究报告的合著者NaomiHalas也是SyzygyPlasmonics公司的联合创始人，这是一家资金雄厚的公司，旨在将莱斯团队的工作商业化，Syzygy公司能够授权这种特殊的催化剂，并建立一个大约500倍大的测试设备，使用高效的LED照明代替激光。催化剂仍然是一样的高效。团队发表的科学文献中的第一份报告表明用LED的光催化作用可以从氨中生产出克级数量的氢气。这为在等离子体光催化中完全取代贵金属打开了大门，这个过程也会在不需要热量的情况下进行，所以也会节省能源和减少排放。也许最重要的是，这看起来将带来一台小型、可靠、轻量级和冷却的氨裂解装置，而不是在数百度的高温下运行。它不需要建造大型设施来运作。Syzygy说，其最初的Rigel光催化反应器产品大约有一台小型洗衣机那么大，每天处理大约一吨，这取决于它所运行的具体反应。这些反应器可以堆叠起来；如果需要更大的产量，可以同时运行一堆反应器。Syzygy的Rigel光催化反应器与洗衣机差不多大小（右）也许可以在一艘电动货船上安装一组这样的反应器，在需要的地方将容易储存的氨气转化为容易使用的氢气。这本身可能是绝对革命性的，从根本上提高了清洁货运和客运的范围。也许这个概念可能被证明足够小和轻，与航空业有关，在航空业，储存在氨中的氢气的能量密度可以开辟出化石燃料无法达到的航线。也许它最终会小到足以塞进你可以在加油站加满氨气的电动汽车。而这只是这种特殊的光催化剂；莱斯和Syzygy团队当然不会就此罢休。事实上，该公司的目标是在任何可能的地方让热催化剂失去工作。"鉴于其大幅减少化工行业碳排放的潜力，质子天线-反应器光催化剂值得进一步研究，"另一位合著者EmilyCarter补充说。"这些结果是一个很大的动力。他们表明，其他丰富的金属组合有可能被用作广泛的化学反应的成本效益催化剂"。一个早期的钯/铝催化剂的细节显示。彩色的电子光谱图显示了"钯岛周围单个质子模式的空间分布。这些质子模式负责捕捉光能并将其转移到催化剂颗粒上。"莱斯大学"催化是化学工业的基础，"另一位合著者和Syzygy公司联合创始人彼得-诺德兰德（PeterNordlander）说，"它是所有社会中最耗能的部分之一。这项工作表明，基于LED的化学实际上是可行的，而且是可以大规模进行的。它可以为工业规模的化学和工业上重要的反应做出贡献。"Syzygy表示，它已经在现场试验中得到了这种反应，并预计在2023年将这些光催化氨裂解反应器投入商业使用。这是一些非常激动人心的技术，在一系列行业中具有巨大的潜力，并为脱碳做出贡献。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1333929.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1333929.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

科学家开发出活性提高7.9倍的催化剂用于制氢

科学家开发出活性提高7.9倍的催化剂用于制氢要使氢能更容易被车辆使用，并被公认为一种可靠的替代能源，就必须降低氢气的生产成本，确保其经济可行性。这一目标的核心是优化电解-氢进化过程的效率，该过程从水中制取氢气。最近，由浦项科技大学（POSTECH）化学系的InSuLee教授、SoumenDutta研究教授和ByeongSuGu组成的研究小组通过开发铂纳米催化剂，显著提高了氢这种绿色能源的生产效率。用于氢气进化的三金属杂化纳米催化剂的机理图解。资料来源：POSTECH他们通过逐步沉积两种不同金属的方式完成了这一创举。他们的研究成果发表在《AngewandteChemie》上，这是一份备受推崇的专注于化学领域的期刊。在催化剂表面的特定位置选择性地沉积不同的材料（其尺寸在纳米范围内）带来了巨大的挑战。意外沉积可能会阻塞催化剂的活性位点或干扰彼此的功能。这种困境阻碍了在单一材料上同时沉积镍和钯。镍负责激活水的分裂，而钯则促进氢离子向氢分子的转化。三金属杂化催化剂的合成和氢演化示意图。资料来源：POSTECH研究小组开发了一种新型纳米反应器，可精细控制沉积在二维平面纳米晶体上的金属位置。此外，他们还设计了一种纳米级精细沉积工艺，使不同的材料能够覆盖二维铂纳米晶体的不同面。这种新方法开发出了一种"铂-镍-钯"三金属混合催化剂材料，通过连续沉积，钯和镍纳米薄膜分别选择性地覆盖了二维铂纳米晶体的平面和边缘。混合催化剂具有独特的镍/铂和钯/铂界面，分别用于促进水分离和氢分子生成过程。因此，这两个不同过程的协同作用大大提高了电解-氢演化的效率。研究结果表明，与传统的铂碳催化剂相比，三金属混合纳米催化剂的催化活性提高了7.9倍。此外，这种新型催化剂还具有显著的稳定性，即使在反应时间长达50小时后仍能保持较高的催化活性。这就解决了异质界面之间的功能干扰或碰撞问题。领导这项研究的InSuLee教授乐观地表示："我们成功地开发出了在混合材料上形成的和谐异质界面，克服了工艺上的挑战。我希望研究成果能广泛应用于氢反应催化材料的开发。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1390121.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1390121.htm

新型催化剂可将二氧化碳高效转化为甲烷 转化率高达99.3%

新型催化剂可将二氧化碳高效转化为甲烷转化率高达99.3%DGIST的一个研究小组开发出一种先进的光催化剂，它能有效地将二氧化碳转化为甲烷，有可能为应对全球变暖提供一种可持续的解决方案。来自DGIST能源科学与工程系的InSoo-il教授及其团队成功开发出一种高效光催化剂。这项创新能够将导致气候变化的重要因素二氧化碳（CO2）转化为甲烷（CH4），也就是通常所说的天然气。全球变暖导致世界各地气候异常，威胁着人类的生存。减少温室气体是解决日益令人担忧的全球变暖问题的关键，这需要将大气中的二氧化碳转化为其他物质。光催化技术是一种环保解决方案，它只需利用太阳能和水就能将二氧化碳转化为有用的物质，如天然气。生产出的天然气可在日常生活中用作供暖、制冷系统和车辆的燃料。光催化材料的改进研究小组将吸收可见光和红外线的硒化镉与二氧化钛（一种金属氧化物和著名的光催化材料）结合起来，高效地将二氧化碳转化为天然气。以前，人们曾将具有周期性晶格结构的结晶二氧化钛作为光催化材料进行分析。然而，由于颗粒的规则排列，钛的三价阳离子（Ti3+）的活性位点的形成受到了限制。为了克服这个问题，In教授的团队使用无定形二氧化钛改进了催化反应，因为无定形二氧化钛可以通过缺乏晶格结构周期性的不规则颗粒排列形成更多的Ti3+活性位点。除了催化作用得到改善外，电荷转移过程也很稳定，可确保有足够的电子参与反应。这有助于将二氧化碳转化为碳化合物，特别是甲烷燃料。此外，与需要高温再生的传统光催化剂不同，无定形催化剂在不加热的情况下向反应器供氧，可在一分钟内再生。高效率和未来研究方向研究小组新开发的无定形二氧化钛-硒化镉光催化剂（TiO2-CdSe）在光反应18小时后的前6小时内甲烷转化率仍高达99.3%，是具有相同成分的晶体光催化剂（C-TiO2-CdSe）的4.22倍。"这项研究的重要意义在于，我们开发出了一种具有再生活性位点的催化剂，并通过计算化学研究确定了利用非晶态催化剂将二氧化碳转化为甲烷的机理，"DGISTIn教授说。"我们将开展后续研究，以改善无定形光催化剂的能量损失，并提高其长期稳定性，从而实现该技术的未来商业化。"编译来源：ScitechDailyDOI:10.1016/j.apcatb.2024.124006...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1434187.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1434187.htm

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（RyuheiNakamura）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：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1430304.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1430304.htm

催化剂技术的进步可能带来更清洁的氢能源

催化剂技术的进步可能带来更清洁的氢能源他们的研究结果最近发表在《美国国家科学院院刊》上。氢能是一种新兴的清洁和可持续能源，在绿色未来方面具有巨大潜力。作为宇宙中最丰富的元素，氢可以从可再生资源中生产出来，并用作发电、运输和工业应用的多功能燃料。它的燃烧仅产生水蒸气作为副产品，这使其成为减少温室气体排放和减缓气候变化的有前途的解决方案。“了解氢等清洁燃料的化学反应是如何发挥作用的非常具有挑战性——这篇论文代表了我在堪萨斯大学第一年开始的一个项目的高潮，”合著者、化学副教授詹姆斯·布莱克莫尔（JamesBlakemore）说。劳伦斯的研究构成了这一发现的基础。“我们的论文提供了通过专门技术来之不易的数据，以了解某种制氢催化剂如何发挥作用，”他说。“堪萨斯大学和布鲁克海文所使用的技术非常专业。实施这些使我们能够全面了解如何从氢的组成部分、质子和电子中制造氢。”布莱克莫尔在堪萨斯大学的研究是这一突破的基础。他将他的工作带到布鲁克海文，在他们的能源研究加速器中心使用脉冲辐射分解以及其他技术进行研究。布鲁克海文是美国仅有的两个拥有可进行脉冲放射分解实验的设备的地方之一。该论文的合著者、布鲁克海文化学家德米特里·波利安斯基(DmitryPolyansky)表示：“能够完全了解整个催化循环是非常罕见的。这些反应要经历许多步骤，其中一些步骤非常快且不易观察到。”Blakemore和他的合作者通过研究一种基于五甲基环戊二烯基铑络合物（简称为[Cp*Rh]）的催化剂而获得了这一发现。他们专注于与稀有金属铑配对的Cp*（发音为C-P-“Star”）配体，因为之前的工作表明这种组合适合这项工作。“铑系统被证明是脉冲放射分解的一个很好的目标，”布莱克莫尔说。“Cp*配体，正如它们的名字一样，是大多数有机金属化学家以及真正的各种化学家所熟悉的。它们用于支撑许多催化剂，并可以稳定催化循环中涉及的各种物质。本文的一项重要发现为Cp*配体如何密切参与析氢化学提供了新的见解。”但布莱克莫尔强调，除了生产清洁氢气之外，这些发现还可能导致其他化学工艺的改进。“在我们的工作中，我们希望化学家能够看到一项关于常见配体Cp*如何实现不寻常反应性的研究，”KU研究人员说。“这种不寻常的反应性与氢有关，但实际上比这更重要，因为Cp*存在于许多不同的催化剂中。化学家通常认为催化剂是基于金属的。按照这种思维方式，如果打算制造一个新分子，金属是将各个组成部分结合在一起的关键角色。我们的论文表明情况并非总是如此。Cp*可以参与将各个部分缝合在一起形成产品。”Blakemore表示，他希望这篇论文能够成为改进其他依赖Cp*配体的催化剂和系统的一个契机。这一突破得到了国家科学基金会和能源部科学办公室的支持，可以更广泛地应用于工业化学。布莱克莫尔目前正致力于应用本研究中使用的技术来开发核燃料回收和锕系元素处理的新方法。堪萨斯大学的研究生和本科生也参与了支持这一突破的研究。“这个项目对学生来说是一个非常重要的培训工具，”布莱克莫尔说。“第一作者、研究生WadeHenke目前在阿贡国家实验室担任博士后。研究生彭云为第二作者，并启动了与Brookhaven的联合工作；两人现在都已完成博士学位。多年来，本科生也为这个项目做出了贡献，提供了新的综合体和见解，我们用它们来构建本文中出现的故事。“总而言之，我认为这是一个成功的项目，也是多年来团队真正努力的成果。”...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1370173.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1370173.htm