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美国研发新纳米材料 从醇中提取氢气

发布日期:2020-12-23   作者:星耀   浏览次数:1172

氢气是一种可持续性的清洁能源,不排放有毒气体,并可为交通、发电、金属制造等多个行业增加价值。存储和运输氢气的技术弥合了可持续能源生产与燃料使用之间的鸿沟,效率更高的氢气输送系统能够为固定电源、移动电源、移动汽车等应用带来很多好处,因此也成为了氢经济中不可或缺的部分。但是,传统的储氢与运输氢气的技术非常昂贵,且容易使氢气被污染。因此,研究人员一直在寻找可靠、低成本且简单的替代技术。

氮化硼2D基底(图片来源:劳伦斯伯克利国家实验室)
据外媒报道,美国劳伦斯伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory)的一组研究人员设计并合成了一种高效的材料,可以加速从醇中提取氢。该材料是一种催化剂,由固定在2D基底上的微小镍金属簇构成。该研究小组发现,此种催化剂可以高效地加速从液体化学载体中移除氢原子的反应,而且该材料非常坚固,由储量丰富的金属,而不是由现有的贵金属制成,将能够有助于使氢成为各种应用的能源。

此类作为催化剂的化合物通常用于加速化学反应的速率,而化合物自身并不会被消耗,而是能够将一个特定的分子保持在一个稳定的位置,或者充当一个中介,让某个重要的化学步骤能够顺利完成。至于能够从液体载体产生氢气的化学反应而言,最高效的催化剂一般都由昂贵金属制成。不过,此类催化剂通常成本高、储量不丰富,而且容易被污染。而由普通金属制成的较便宜的催化剂往往效率较低且稳定性较差,活性受到限制,也限制其在制氢工业中得到实际应用。

为了改进此类由储量丰富的金属制成的催化剂,研究人员改变了策略,专注于微小、均匀的镍金属簇。此类金属簇非常重要,能够让一定量的材料最大限度地暴露活性表面。但是,金属簇也容易聚集在一起,导致反应能力受限。

研究人员设计并进行了一次实验,通过将1.5纳米大小的镍簇沉积在2D基底上,防止金属簇聚集在一起。该2D基底由硼和氮制成的,被设计成原子大小、有凹槽的网格状。镍簇会均匀且牢牢地固定在凹槽中。此种设计不仅可以防止金属簇聚集,而通过直接与镍金属簇互动,催化剂的热化学性能也能得到大大提升,从而提升其整体性能。

研究人员利用详细的X射线和光谱测量结果,结合理论计算,揭示了表面下的很多情况以及此类情况在催化反应中的作用。伯克利实验室采用先进光子源的工具和计算建模法,在微小镍金属簇在该2D基底上形成与沉积时,识别出该2D基底的物理与化学特性的变化。该研究小组提出,在金属簇占据基底原有区域并跟附近的边缘互动时,该材料就形成了,从而能够保留金属簇的微小尺寸。此种微小且稳定的金属簇促进了氢从液体载体中的分离,使该催化剂具有优异的分离性、生产率以及稳定性。

计算表明,该催化剂的尺寸使其能够比其他性能最佳的催化剂更具活性。研究人员利用模型和计算法揭示了该微小金属簇独特的几何与电子结构。大量裸露的金属原子聚集在此类微小的团簇上,比较大尺寸的金属粒子更能吸引氢气载体。此类暴露在外的原子还能够减缓氢气从载体中剥离的步骤,同时防止可能堵塞团簇表面的污染物的形成。因此,该材料在制氢反应的关键步骤中可以保持不被污染。此类催化和抗污染的性能被特意引入该2D基底,最终导致该团簇能够保持较小尺寸。

在此次研究中,研究人员成功打造较便宜、容易获取以及稳定的材料,可帮助从液体载体中剥离氢气,使氢气能够用作一种燃料。该项研究基于美国能源部的计划,该计划旨在研究能够满足能源效率与可再生能源(EERE)氢气与燃料电池办公室对储氢材料的要求,并优化未来要用于车辆的材料。

未来,伯克利实验室团队将进一步完善策略,以改变2D基底,使其能够为微小的金属簇提供支持,从而研发出更高效的催化剂。该技术有助于优化从液体化学载体中提取氢气的工艺。 

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