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研究人員開發原子錨定催化劑系統 將水分解效率提高至創紀錄水平

蓋世汽車 Elisha 2021-09-17 10:00:00

蓋世汽車訊 據外媒報道,美國能源部SLAC國家加速器實驗室(US Department of Energy’s SLAC National Accelerator Laboratory)和斯坦福大學(Stanford University)的科學家們開發了一種新方法,通過將單銥原子錨定在催化劑表面,提高水分子分解的效率,使其達到創記錄水平。

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(圖片來源:SLAC)

這是首次在析氧反應中運用這種方法。該反應是電解過程的一部分,該過程使用電力將水分解為氫和氧。如果采用可再生能源提供動力,通過電解可以更可持續地生產燃料和化學原料,并減少使用化石燃料。但OER的反應速度緩慢,一直是提高電解效率及其市場競爭力的瓶頸。

本項研究的結果能夠緩解這一問題,為觀察和了解單原子催化劑中心如何在真實工作條件下運行開辟新的途徑。催化劑是化學產業的基礎,承載著可持續能源未來的希望。催化劑像月老一樣,抓住流經液體或氣體的分子,讓它們互相發生反應,而不是被自身消耗掉。為了充分提高這一過程的效率,通常將催化劑納米顆粒分散在多孔材料的表面,從而提供最大表面積,支持同時發生許多反應。

但是,只有納米顆粒外面的原子可以參與催化過程,內部的原子往往都浪費了。如果催化劑中用的是非常昂貴的金屬,如銥或鉑,甚至少量浪費的代價也是很高的。因此,科學家們一直在探討使用這些貴重金屬的單個原子。每個原子是一個催化反應中心,其尺寸非常小,因此,既定載體結構的表面可以容納更多的原子。這極大地提高了接觸反應物的活性催化劑的數量,以及可以同時發生的反應數量,從而提高了效率。

在本項研究中,由SLAC和斯坦福大學的Yi Cui和SLAC的科學家Michal Bajdich領導的團隊開發了一種新方法,將單個銥原子錨定在載體表面上。斯坦福大學的博士后研究人員 Xueli Zheng和Jing Tang進行了這項實驗,并得到SLAC副研究員Alessandro Gallo的X射線數據理論模擬支持,從而揭示哪種配置最為穩定和有效。

為了制造這種新催化劑,科學家們首先制造了一種多孔結構,以支撐可以催化反應的銥原子。接著,使這種泡沫狀結構暴露在含有銥化合物的溶液中。通過迅速冷凍該溶液,在表面上創造了一種富銥薄冰層。然后,進行額外的加工過程,以創建分布均勻的位點,使單個銥原子緊密地貼在載體表面上。

對工作中的催化劑進行X射線觀察顯示,銥原子處于一種化學狀態,在水分解反應釋放氧氣的過程中發揮了特別有效的作用。其他測試表明,活性增強的原因完全在于銥以單個孤立原子的形式存在,而不僅僅是因為嵌入的表面積很大。

據報告,比起目前大多數銥基催化劑,這種催化劑的表現更加出色。研究人員表示,這種新的原子錨定系統,為探討和在催化劑及其載體結構之間建立聯系提供了一個理想的模型。

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