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作者:吴宇恩等 来源:《自然—催化》 发布光阴:2019/4/20 12:52:21
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科学家创造新一代电解水制氢催化剂

 

 
上图:氧析出和氧还原反应被称为氢能高效利用领域的两大圣杯。然而,在酸性氧析出运行环境中,不只必要高过电位而且催化剂的稳固性很差,这就导致氧析出的能源学极其缓慢。
下图:吴宇恩传授课题组制备了一种单原子钌催化剂,可使酸性氧析出仅必要较低过电位,极大地加快了氧析出过程。/美术设计:崔劼
 
当电流颠末过程水时,会发生氢气和氧气,氢气在氧气中燃烧,获得的产品是水。化学公式轮回往复,这些中学课本上的内容为人所熟知。
 
曩昔的一百多年里,科学家不停在试图让反应过程变得更快。电解水析出氢气和氧气作为全体反应中的两个部分,为了提高反应速率,必要分离找到合适的催化剂。
 
直到本日,氢析出的相干催化技术已经睁开得较为成熟,但氧析出还没有找到更高效廉价的催化剂。这是氢能源领域悬而未决的难题之一,业内将之与非铂氧还原催化剂的研发并称为两大圣杯。
 
如今氧析出催化剂的圣杯行将被中国科学家捧走。中国科学技术大学传授吴宇恩团队在今年4月的《自然—催化》上发表封面文章,其制备的钌单原子合金催化剂大大加快了氧析出过程,有望低落氢气制备本钱。
 
探访最终能源的最终制法
 
氢气作为无净化、零排放的“最终能源”,其应用远景不停被看好。
 
论文共同第一作者、吴宇恩课题组博士生么艳彩奉告《中国科学报》,目前工业中较为常用的制氢办法是化石燃料制氢,比如“甲烷水蒸气重整”——让甲烷与水反应,天生一氧化碳和氢气。但因为用到的是化石燃料,面对着碳排放等环保成就。
 
电解水制氢则没有碳排放的担忧,且工艺过程简略,有望成为下一代制氢的干净办法。
 
根据电解质的分歧,电解水制氢又可分为酸性电催化制氢和碱性电催化制氢,么艳彩奉告记者,因为目前工业上还没有可以或许或许与碱性电解水匹配的碱性膜,而酸性膜已经是一种成熟的技术,所以酸性电解水工业化远景更佳。
 
为了晋升电解水制氢效力,找到合适的催化剂可不简略。这意味着催化剂既要做好自己的本职工作——加快反应,同时还要“坐怀不乱”——防止在反应过程中被过快地消耗掉。这两种特性也被称为活性和稳固性。
 
目前,在酸性条件下的电解水氧析出反应中,二氧化铱因为优越的活性和稳固性被普遍应用。但金属铱作为一种稀有的贵金属资料,价钱较为昂贵,每克的市价约为240-250元。
 
科研职员算了如许一笔账:工业上颠末过程二氧化铱电解水制氢的本钱是每千克33-38元,而发生相同能量所必要的汽油本钱是每千克25-29元。
 
也便是说,若想用涸墼勖氢气这个最终能源,人咱咱们还得想办法把本钱再压一压。
 
超强催化剂
 
吴宇恩课题组对准了另外一种催化剂——钌,钌是一种稀有的金属元素,但在地球上的储量更丰富,每克19.5-20.5元的市价和铱相比,已经友爱得多。
 
目前商用的钌基催化剂大多为二氧化钌。这种催化剂虽然有精彩的活性,但在反应过程中表示得过于“豪情亲热”:在强酸、强氧化环境下,二氧化钌中的晶格氧会介入到氧气析出的过程中。短短数小时内,催化剂活性就会大幅衰退。
 
既然钌和氧在一路这么欢脱,那把单个钌原子拿进去会不会分心干活?
 
这恰是吴宇恩课题组多年来的研究重点:让钌以单原子情势作为催化剂介入到氧析出反应中。
 
想稳住单个钌原子,得给它找个好地位。么艳彩奉告《中国科学报》,课题组创新性地采纳铂铜合金作为载体,用酸刻蚀和电化学浸出的办法在载体外面制作出一个个空缺。当钌原子嵌入铂铜载体时,二者间强互相感化,仍墼勖前者更稳固地停留。而铂因为自己特性,即便在强酸环境下,也能好好稳住钌原子。
 
如斯一来,与二氧化钌相比,钌单原子合金催化剂不只能加快反应,在酸性电解水反应中另有更好的抗溶解能力。么艳彩表示,这种催化剂相对付商业钌基催化剂的过电位低落了约30%,稳固性提高了近10倍。
 
创新性办法
 
这项研究的另外一个亮点是,让催化剂以单原子情势发挥感化,比由多个原子构成的催化剂颗粒活性更佳。
 
“比如原本10个原子聚拢在一路,真正起催化感化的可能只是内部外面的几个原子,而内部的原子起不到感化。将单个原子固定在合金载体上,原子的利用率会更高。”么艳彩解释道。
 
新加坡国立大学化学系传授杨文祥如许评估吴宇恩团队的效果:研究团队胜利实现为了“颠末过程应力工程调控单原子钌的电子布局,从而进一步提高其在酸性氧析出中的活性和稳固性”。
 
吴宇恩表示,研究中颠末过程金属/合金载体调控单原子电子布局的计谋也可在其余反应体系中应用,或能为类似研究供给借鉴和参考。
 
  “未来,咱咱咱们还会尝试其余金属或许非金属载体,进一步低落催化剂本钱。”么艳彩表示。(来源:华人科技资讯网 任芳言)
 
相干论文信息:DOI:10.1038/s41929-019-0246-2
 
 

 

 
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