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

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

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

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

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

酸性涂层将普通电解器转化为可以直接分离海水

酸性涂层将普通电解器转化为可以直接分离海水该团队说，一个典型的电解器催化剂可能是由氧化钴制成的，其表面有氧化铬。海水通常会通过氯离子的严重侵蚀破坏这些催化剂，或者不溶性的镁和钙的沉淀物将其污染，这些沉淀物会堆积并堵塞电极。但是，在催化剂上添加刘易斯酸层，似乎能够从海水中捕获足够的带负电荷的羟基阴离子，在催化剂周围产生一个pH值为14的强碱性环境，阻止氯离子对催化剂的攻击和电极上沉淀物的形成。研究人员表示，他们以近100%的效率将天然海水分成氧气和氢气，通过电解生产绿色氢气，在商业电解器中使用非贵重的廉价催化剂。使用催化剂在海水中运行的商业电解器的性能接近于在高度净化的去离子水原料中运行的铂/铱催化剂的性能。展望未来几十年，有两件事似乎很清楚：对绿色氢气的需求将非常大，而预计到2025年将影响世界三分之二人口的淡水缺乏问题将变得更加严重。但是，如果绿色氢气可以用海水大量制造，那么在任何地方使用，无论是在燃料电池中还是在燃烧过程中，它最终都会与氧气结合，并作为淡水释放回环境中，这同时也是一个具有清洁能源奖励的脱盐过程。该团队表示，它正在努力将这套电解器系统扩大到商业规模，并寻找工业伙伴将其投入生产。该论文发表在《自然-能源》杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1342313.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1342313.htm