氫能技術(shù)
單原子催化劑打破電水解制氫效率紀(jì)錄
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2021-9-14
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美國能源部SLAC國家加速器實(shí)驗(yàn)室和斯坦福大學(xué)的科學(xué)家們報(bào)告稱，一種將單個(gè)銥原子固定在催化劑表面的新方法提高了催化劑分解水分子的效率，達(dá)到了創(chuàng)紀(jì)錄的水平。這是該方法首次應(yīng)用于析氧反應(yīng)(OER)。OER是電解過程的一部分，電解過程使用電將水分解成氫和氧。如果由可再生能源提供動(dòng)力，電解可以更可持續(xù)地生產(chǎn)氫氣和化學(xué)物質(zhì)，并減少化石燃料的使用。但OER的緩慢步伐一直是其提高效率以在公開市場競爭的瓶頸。該團(tuán)隊(duì)表示，這項(xiàng)研究的結(jié)果可以緩解這一瓶頸，并為觀察和理解這些單原子催化反應(yīng)中心在真實(shí)環(huán)境下如何運(yùn)作開辟了新途徑。他們的研究結(jié)果發(fā)表在《美國國家科學(xué)院院刊》上。
化學(xué)工業(yè)的支柱
催化劑是化學(xué)工業(yè)的支柱，為可持續(xù)能源的未來提供了希望。就像媒人一樣，它們從流動(dòng)的液體或氣體中抓取分子，使它們相互反應(yīng)而不消耗自己。為了使這一過程的效率最大化，催化劑納米顆粒通常分散在多孔材料的表面，這為同時(shí)發(fā)生許多反應(yīng)提供了最大的表面積。但只有納米粒子之外的原子才能參與催化;里面的東西都被浪費(fèi)了。當(dāng)催化劑是昂貴的貴金屬時(shí)，如銥或鉑，即使是少量的材料浪費(fèi)也是昂貴的。因此，科學(xué)家們一直在研究使用這些貴重金屬的單個(gè)原子。每個(gè)原子都是一個(gè)催化反應(yīng)中心。它們的微小尺寸意味著更多的單元可以安裝在一個(gè)給定的支撐結(jié)構(gòu)的表面上。這大大增加了與反應(yīng)物接觸的活性催化劑的數(shù)量和同時(shí)發(fā)生的反應(yīng)的數(shù)量，提高了效率。在這項(xiàng)研究中，由斯坦福大學(xué)教授Yi Cui和SLAC科學(xué)家Michal Bajdich領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種新方法，能夠?qū)蝹€(gè)銥原子附著在支撐表面上。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)由斯坦福大學(xué)博士后鄭學(xué)麗和唐靜進(jìn)行，由SLAC助理科學(xué)家Alessandro Gallo對x射線數(shù)據(jù)進(jìn)行了理論模擬，揭示了哪種構(gòu)型是最穩(wěn)定和最有效的。
原子錨定
為了制造新的催化劑，研究人員首先創(chuàng)造了一個(gè)多孔結(jié)構(gòu)來支持催化反應(yīng)的銥原子。他們將這種泡沫狀結(jié)構(gòu)暴露在含有銥化合物的溶液中，迅速將其凍結(jié)，在其表面形成一層薄薄的富含銥的“冰”，并進(jìn)行了額外的處理，以創(chuàng)建單個(gè)銥原子粘附在支撐表面的均勻分布位置。對工作中的催化劑的x射線觀察顯示，銥原子處于一種化學(xué)狀態(tài)，使它們在進(jìn)行釋放氧氣的水分裂反應(yīng)時(shí)異常高效。其他測試表明，活動(dòng)的增加完全是由于銥作為孤立原子的存在，而不是由于它們擴(kuò)大的表面積。研究人員報(bào)告說，由此產(chǎn)生的催化劑比迄今為止已知的大多數(shù)銥基催化劑都要好。他們說，新的原子錨定系統(tǒng)為探索和建立各種電催化反應(yīng)的催化劑及其支撐結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)系提供了一個(gè)理想的模型。斯坦福大學(xué)材料與能源科學(xué)研究所(SIMES)的研究員崔毅和斯坦福大學(xué)聯(lián)合研究機(jī)構(gòu)SUNCAT界面科學(xué)與催化中心的研究員Michal Bajdich在那里進(jìn)行了理論計(jì)算。在SLAC的斯坦福同步輻射光源(SSRL)和勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室的先進(jìn)光源(ALS)進(jìn)行了催化劑的x射線觀測，并在國家能源研究科學(xué)計(jì)算中心(NERSC)進(jìn)行了計(jì)算;這三個(gè)都是能源部科學(xué)辦公室的用戶設(shè)施。來自伯克利實(shí)驗(yàn)室分子鑄造廠和美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所材料測量設(shè)施的研究人員也對這項(xiàng)由美國能源部科學(xué)辦公室資助的工作做出了貢獻(xiàn)。
