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

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

新型太阳能催化剂可在捕捉甲烷后生成纯氢和碳

新型太阳能催化剂可在捕捉甲烷后生成纯氢和碳催化专家理查德-布莱尔（RichardBlair，左）和纳米技术专家劳伦-泰塔德（LaureneTetard）（均来自佛罗里达大学）联手发现了令人兴奋的光催化新技术图/中佛罗里达大学中佛罗里达大学纳米科学技术中心和佛罗里达太空研究所的研究人员表示，他们已经研制出一种富含硼的光催化剂，这种催化剂具有纳米级缺陷或结构不规则，可以将甲烷等碳氢化合物链拆分成无害成分。输入仅仅是太阳光（如果可能的话，进行浓缩）和含有碳氢化合物的空气。输出是纯氢（可用于各种能源目的）和纯碳（另一种可销售的商品，具有导热性和导电性，还可用作润滑剂等）。重要的是，该工艺不会产生二氧化碳或一氧化碳。这与利用甲烷和水生产氢气或合成气的典型工业流程形成了鲜明对比，后者会排放大量的二氧化碳或一氧化碳。加州大学弗吉尼亚分校催化专家理查德-布莱尔在一份新闻稿中说："这项发明实际上是一举两得。我们可以获得绿色氢气，还可以去除，而不是真正封存甲烷。将甲烷加工成氢和纯碳后可用于电池等用途。我们的工艺将甲烷这种温室气体转化为非温室气体和两种有价值的产品--氢和碳--我们已经从循环中去除甲烷。"研究小组认为，他们的工作可以大大降低能源生成催化剂的成本，扩大他们工作的可见光频率范围，并提高太阳能光催化的效率。它不仅可以在不需要水的情况下实现比绿色更环保的氢气的工业生产，还可以为直接捕捉大气中的甲烷提供一种商业上可行的方法。甲烷是农业、垃圾填埋场、废水处理设施和一些主要工业流程中不可避免的副产品。天然气生产商在钻探甲烷时，甲烷就会大量泄漏出来，并通过管道和配件输送到家庭和工业，在那里甲烷通常会被燃烧，产生更多的二氧化碳。人类驱动的气候变化已经开始导致大气中甲烷的显著飙升，这要归功于热带湿地的扩大（甲烷从湿地中分解释放出来），以及极地永久冻土的融化（永久冻土会截留大量甲烷）。如果这种光催化剂在商业规模上证明是可行的，那么太阳能驱动的甲烷捕集技术就有可能部署在大型甲烷排放点周围，同时产生多种收入来源，这无疑是一个令人兴奋的想法。布莱尔说："在我们出现之前，这种氮化硼一直被认为是惰性的。也许是用于润滑剂，也许是化妆品。但它没有任何化学用途。然而，通过缺陷工程，研究团队发现这种化合物在生产碳和绿色氢气方面具有巨大潜力，而且可能会大量生产。"该团队正在寻找许可和赞助研究的机会，以推进该技术的发展。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1378423.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1378423.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

突破性的催化剂将导致气候变化的敌人变成了有价值的资源

突破性的催化剂将导致气候变化的敌人变成了有价值的资源"缺陷调整强金属-支架相互作用"，这是设计具有出色效率和稳定性的二氧化碳还原纳米催化剂的独特方法。资料来源：RajeshBelgamwar先生和VivekPolshettiwar教授大量使用化石燃料来驱动工业过程和人类活动，导致了越来越多的人为二氧化碳排放到我们的大气中，超过了400ppm的水平。这种过高的大气二氧化碳浓度已经导致了我们星球的气候系统的一系列负面后果。然而，二氧化碳可以成为一种战略性的碳资源，用于合成有价值的化学品和燃料。已经有许多关于贵金属催化剂的报道，但由于其催化性能一般且成本高，其应用受到限制。在非贵金属催化剂家族中，铜基催化剂是用途最广的，在许多工业过程中具有良好的潜力。不幸的是，铜的低坦曼温度和由此产生的表面迁移导致纳米颗粒在反应过程中烧结，限制了其活性和长期稳定性。在这项工作中，孟买塔塔基础研究所（TIFR）的VivekPolshettiwar教授领导的研究小组提出了一个问题：如何利用强金属支撑作用（SMSI）和缺陷点合作性的概念来提高铜催化剂的催化活性和稳定性？他们报告了一种在氧化钛包覆的树枝状纳米二氧化硅（DFNS/TiO2-Cu）上负载活性铜位点的催化剂，用于CO2到CO的转化。DFNS/TiO2的纤维状形态和高表面积使得CuNPs活性位点可以更好地分散和高负载。这种催化剂对二氧化碳的还原显示出优异的催化性能，其CO生产率为5350mmolg-1h-1（即53506mmolgCu-1h-1），优于所有铜基热催化剂。值得注意的是，DFNS/TiO2-Cu10对一氧化碳显示出99.8%的选择性，并且至少在200小时内稳定。铜和TiO2之间的缺陷控制的强大的金属-载体相互作用使铜纳米颗粒牢牢地固定在载体的表面上，并赋予了出色的催化剂稳定性。EELS研究、原位漫反射红外傅里叶变换光谱、H2-温度编程还原、密度泛函理论计算和长期稳定性表明，铜位点和Ti3+位点之间存在强烈的相互作用，这确保了活性铜位点的良好稳定性和分散性。原位研究提供了对缺陷位点（Ti3+和O-空位）在调整SMSI中的作用的深入了解。原位时间分辨傅里叶变换红外线表明，CO2并没有直接解离形成CO，而原位拉曼和原位UV-DRS研究表明，将CO2气体引入反应室后，氧空位和Ti3+中心的强度逐渐降低，暴露在氢气中时，强度逐渐增加。这表明，在氢气的帮助下，二氧化碳转化为一氧化碳的过程遵循了氧化还原途径。DFNS/TiO2-Cu的优异催化性能和原位机理研究表明，缺陷在调整强金属-支撑物相互作用方面具有潜力。这种方法可能会导致使用各种活性位点和缺陷载体的催化系统的设计。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1357339.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1357339.htm