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

以光为动力的纳米材料催化剂可能是发展氢能经济的关键

以光为动力的纳米材料催化剂可能是发展氢能经济的关键这项研究于11月24日发表在《科学》杂志上，由莱斯大学纳米光子学实验室、SyzygyPlasmonics公司和普林斯顿大学Andlinger能源与环境中心的一个团队进行。最近政府和工业界为创建无碳液态氨燃料的基础设施和市场而进行持续投资，它不会造成温室效应，这与这项研究有很好的协同作用。由于液氨易于运输，而且蕴含大量的能量，每个分子中有一个氮原子和三个氢原子，因此液氨是一种有希望的未来清洁燃料。新的催化剂将这些氨分子（NH3）分解成氢气（H2），一种清洁燃烧的燃料，和氮气（N2），地球大气中最大的组成部分。而且与传统的催化剂不同，它不需要加热。相反，它从光中获取能量，无论是太阳光还是节能的LED。化学反应的速度通常会随着温度的升高而增加，一个多世纪以来，化学品生产商已经通过在工业规模上应用热量来利用这一优势。燃烧化石燃料，将大型反应容器的温度提高数百或数千度，造成了巨大的碳足迹。化工生产商每年还在热催化剂上花费数十亿美元--这些材料不会发生反应，但在强烈的加热下会进一步加速反应。"像铁这样的过渡金属通常是可怜的热催化剂，"研究报告的共同作者、莱斯大学的NaomiHalas说。"这项工作表明它们可以成为高效的等离子体光催化剂。它还表明，光催化可以用廉价的LED光子源有效地进行。"用于测试铜铁等离子体光催化剂的光催化平台，用于从氨气中生产氢气。资料来源：布兰登-马丁/莱斯大学的照片最好的热催化剂是由铂和相关贵金属如钯、铑和钌制成的。Halas和Nordlander花了数年时间开发光激活的，或称质子的金属纳米粒子。其中最好的通常也是用银和金等贵金属制成。继他们在2011年发现了能放出被称为"热载流子"的短寿命高能电子的质子粒子之后，他们在2016年发现，热载流子发生器可以与催化粒子联姻，产生混合的"天线-反应器"，其中一部分从光中获取能量，另一部分则用能量来驱动具有超高精度的化学反应。Halas、Nordlander、他们的学生和合作者多年来一直致力于为天线反应器的能量收集和反应加速两部分寻找非贵金属替代品。这项新的研究是这项工作的一个高潮。在该研究中，Halas、Nordlander、莱斯大学校友HosseinRobatjazi、普林斯顿大学工程师和物理化学家EmilyCarter等人表明，由铜和铁制成的天线反应器颗粒在转化氨方面非常有效。颗粒中的铜、能量收集片从可见光中捕捉能量。休斯敦SyzygyPlasmonics公司的铜铁质子光催化剂测试中使用的反应池（左）和光催化平台（右），用于从氨生产氢气。催化作用的所有反应能量都来自LED，其产生的光的波长为470纳米。Halas研究小组的博士校友Robatjazi说："在没有光的情况下，铜-铁催化剂表现出比铜-钌催化剂低约300倍的反应性，鉴于钌是这种反应的更好的热催化剂，这并不奇怪。在充足照明下，铜-铁显示出与铜-钌相似的效率和反应能力，并与之相媲美。"Syzygy公司已经许可了莱斯大学的天线反应器技术，这项研究包括在该公司的商用LED驱动的反应器中对催化剂进行放大测试。在莱斯大学的实验室测试中，铜-铁催化剂被激光照射。Syzygy公司的测试表明，在LED照明下，催化剂保持了其效率，而且规模比实验室设置大500倍。这表明用LED的光催化作用可以从氨气中产生克级数量的氢气。为在等离子体光催化中完全取代贵金属打开了大门。"鉴于它们在大幅减少化工行业碳排放方面的潜力，质子天线-反应器光催化剂值得进一步研究，"卡特补充说。"这些结果是一个很大的推动力。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"。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1333849.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1333849.htm

革命性催化剂涂层技术在短短4分钟内大幅提升燃料电池性能

革命性催化剂涂层技术在短短4分钟内大幅提升燃料电池性能一个合作研究小组开发出一种新型催化剂涂层技术，只需四分钟就能将固体氧化物燃料电池的性能提高三倍，为能源转换技术带来了潜在的进步。资料来源：韩国能源研究所（KIER）该技术采用纳米级氧化镨催化剂，针对空气电极的氧还原反应，显著提高了SOFC的功率输出。这种新方法既经济又与现有制造工艺兼容，有望得到更广泛的应用，包括高温电解制氢。韩国能源研究所（KIER）氢聚合材料实验室的YoonseokChoi博士与韩国科学技术院（KAIST）材料科学与工程系的WooChulJung教授和釜山国立大学材料科学与工程系的Beom-KyungPark教授一起，成功开发出一种催化剂涂层技术，可在短短4分钟内显著提高固体氧化物燃料电池（SOFC）的性能。作为推动氢经济发展的高效清洁能源设备，燃料电池正受到越来越多的关注。其中，固体氧化物燃料电池（SOFC）的发电效率最高，可使用氢气、沼气和天然气等各种燃料。此外，它们还可以利用发电过程中产生的热量，实现热电联产，因此成为目前研究和开发的热点。SOFC的LSM-YSZ电极电化学涂层工艺示意图。资料来源：韩国能源研究院（KIER）固体氧化物燃料电池（SOFC）的性能在很大程度上取决于发生在空气电极（阴极）上的氧还原反应（ORR）动力学。空气电极的反应速率慢于燃料电极（阳极）的反应速率，从而限制了整体反应速率。为了克服这种缓慢的动力学特性，研究人员正在开发具有高ORR活性的新型空气电极材料。然而，这些新材料一般仍缺乏化学稳定性，需要不断进行研究。联合研究小组照片（最右边为高级研究员Yoon-SeokChoi）。资料来源：韩国能源研究院（KIER）研究团队将重点放在提高LSM-YSZ复合电极的性能上，这种材料因其出色的稳定性而被广泛应用于工业领域。因此，他们开发了一种在复合电极表面涂覆纳米级氧化镨（PrOx）催化剂的涂层工艺，这种催化剂能积极促进氧还原反应。通过应用这种涂层工艺，他们显著提高了固体氧化物燃料电池的性能。研究小组引入了一种电化学沉积方法，该方法可在室温和大气压力下运行，无需复杂的设备或工艺。将复合电极浸入含有镨（Pr）离子的溶液中并施加电流，电极表面产生的氢氧根离子（OH-）会与镨离子发生反应，形成沉淀，均匀地覆盖在电极上。该涂层经过干燥过程，转化为氧化物，在高温环境中保持稳定并有效促进电极的氧还原反应。整个涂层过程只需4分钟。此外，研究小组还阐明了涂层纳米催化剂促进表面氧交换和离子传导的机制。他们提供的基本证据表明，催化剂涂层方法可以解决复合电极反应速率低的问题。通过对所开发的催化剂涂层复合电极和传统复合电极进行超过400小时的操作，研究小组观察到极化电阻降低了十倍。此外，在650摄氏度的条件下，使用这种涂层电极的SOFC的峰值功率密度（142mW/cm²→418mW/cm²）是未涂层情况下的三倍。这代表了使用LSM-YSZ复合电极的SOFC的最高性能。共同通讯作者YoonseokChoi博士说："我们开发的电化学沉积技术是一种后处理方法，不会对现有的SOFC制造工艺产生重大影响。这使得引入氧化物纳米催化剂具有经济可行性，提高了其工业应用性。我们已经掌握了一项核心技术，它不仅可以应用于SOFC，还可以应用于各种能量转换设备，例如用于制氢的高温电解(SOEC)。"编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1436244.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1436244.htm

新型耐用且价格低廉的合成氨催化剂可稳定生产且减少碳足迹

新型耐用且价格低廉的合成氨催化剂可稳定生产且减少碳足迹哈伯-博世工艺通常用于通过在高压和高温下将氢气（H2）和氮气（N2）在催化剂上结合起来合成氨气（NH3），这一反应是合成氮肥的基础，是有助于提高农作物产量和提高全球粮食产量的最重要的科学突破之一。PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1333419.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1333419.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

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