科學(xué)家開發(fā)低成本水電解催化劑

在許多人看來，氫最有希望成為取代化石燃料的能源。然而，傳統(tǒng)生產(chǎn)純氫的方式因面臨著諸多問題而束縛了氫能的潛力，這些問題包括，生產(chǎn)氫時會產(chǎn)生大量的二氧化碳，并且需要白金等稀少且昂貴的化學(xué)物質(zhì)。

如今上述情況或許即將發(fā)生根本改變，其原因是美國能源部布魯克海文國家實驗室的科學(xué)家通過研究，開發(fā)出了新的用于電解水的電催化劑。它采用相對廉價的材料解決了從清潔水中獲取氫氣的問題之一。他們研發(fā)的鎳鉬氮化物催化劑為納米片狀結(jié)構(gòu)，開啟了新的有效氫催化模式。

傳統(tǒng)催化劑過于昂貴

水是生產(chǎn)純氫的理想資源，它不僅儲量豐富，而且在生產(chǎn)氫的過程中不會排放溫室效應(yīng)氣體。然而，電解水產(chǎn)出氫和氧的過程需要外加電能和有效破壞水分子化學(xué)鍵的催化劑。通常，人們在獲得氫氣的同時，希望外加的用于幫助電化學(xué)反應(yīng)的能量盡可能地少。

對于能促進(jìn)電解水效率的催化劑而言，它必須同時具有經(jīng)久耐用、活性極高和表面積大的特點。構(gòu)成催化劑的元素與氫的親和力的強(qiáng)弱決定了電解水反應(yīng)的能力：親和力太弱，反應(yīng)則無法進(jìn)行；親和力太強(qiáng)，起始活性將使催化劑中毒。

在過去的實踐中，人們認(rèn)識到白金電催化方法分解水生產(chǎn)氫具有相當(dāng)高的效率。但是，令人遺憾的是白金催化劑的成本在不斷上升，白金（現(xiàn)在的價格在1千克5萬美元左右）和其他貴重金屬的高價讓投資者駐足觀望。布魯克海文國家實驗室研究項目負(fù)責(zé)人詹姆斯·穆克爾曼說，人們偏愛白金，然而全球有限的供應(yīng)不僅導(dǎo)致白金價格上漲，同時讓人們懷疑它的長久性，也許它不能足以支持全球氫經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

穆克爾曼表示，開始時，他們的目標(biāo)是將一種與氫的親和力很弱的非貴重金屬與另外一種與氫的親和力很強(qiáng)的非貴重金屬混合，獲得活性高且穩(wěn)定的催化劑，并將目光鎖定在儲量豐富且價格便宜的金屬鎳和鉬上。按照目前的市場行情，鎳和鉬每千克的價格分別為20美元和32美元。兩者組合起來后，價格要比白金的價格低1000倍。當(dāng)然，對于能源催化劑來說，人們常常更多考慮的是性能而不是價格。

新型催化劑模式探索

在新研發(fā)的催化劑中，鎳取代了白金在反應(yīng)中的位置，但是它本身的電子密度卻無法同白金相比。為彌補(bǔ)鎳自身的不足，于是科學(xué)家借助鉬來增強(qiáng)鎳的反應(yīng)能力。雖然此方法有效，但是仍然無法與白金相媲美。

研究論文第一作者陳偉賦（音譯）介紹說，為進(jìn)一步提高催化性能，他們引入了第3個元素氮來改變鎳和鉬的電子態(tài)。氮早已用于疏松材料或尺寸大于1微米的物質(zhì)中，但是用在納米尺寸的材料中卻具有較大的難度。起初，科學(xué)家期望用氮來改變鎳鉬的結(jié)構(gòu)，形成不連續(xù)的類球體納米粒子。但有趣的是，在研發(fā)過程中，他們卻有新的發(fā)現(xiàn)。

在高溫氨環(huán)境中，向鎳鉬復(fù)合物注入氮，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)鎳鉬氮出乎意外地形成了具有極大反應(yīng)面積的二維納米薄片。借助布魯克海文國家實驗室凝聚物理學(xué)和材料學(xué)分部的高分辨率通光顯微鏡以及國家同步輻射光源X光探測儀，科學(xué)家搞清楚了新材料的二維結(jié)構(gòu)以及電子排布。陳偉賦表示，這是人們首次獲得納米薄片金屬氮化物，氮的引入導(dǎo)致鎳鉬復(fù)合物發(fā)生了巨大的變化，它擴(kuò)展了鎳鉬合金的晶格，提高了電子密度，讓電子結(jié)構(gòu)近似于貴金屬，同時能防止腐蝕。

科學(xué)家新開發(fā)的催化劑的性能與白金催化劑的相近，具有任何其他非貴重金屬復(fù)合物所無法比擬的電催化活性和穩(wěn)定性。穆克爾曼表示，新催化劑生產(chǎn)工藝既簡單又能規(guī)?；?，從而可讓鎳鉬氮化物有足夠的能力滿足工業(yè)應(yīng)用的需要。

研究項目的構(gòu)思者、布魯克海文國家實驗室化學(xué)家孝太郎·佐佐木表示，他們最初希望設(shè)計出一種活性高且價格低的最優(yōu)催化劑，有能力產(chǎn)生足夠的氫氣作為高密度和清潔的能源。新催化劑的實際性能超過了他們的期望。

雖然新催化劑并不意味著生產(chǎn)廉價氫能的所有問題得到了完全解決，但是它的確大幅度降低了電解水主要設(shè)備的成本?？茖W(xué)家強(qiáng)調(diào)他們的突破源于基礎(chǔ)知識的探索，這種途徑有望改變整個研究進(jìn)程，其提出的新模式將引導(dǎo)未來的研究。

來源：科技日報 作者：毛黎

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