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新型催化剂给出制氢“成本价”
作者:佚名    科技动态来源:本站原创    点击数:42    更新时间:2019-5-14    【打印】【关闭

中国科技网·科技日报杭州5月13日电(记者江耘 实习生 洪恒飞 通讯员 柯溢能)13日,记者从浙江大学获悉,该校化学工程与生物工程学院侯阳研究员,通过将高度分散的镍单原子锚定在氮-硫掺杂的多孔纳米碳基底,设计开发出了一种单原子OER催化剂,能使电/光电催化水裂解析氧反应更加高效。相比市场上广泛应用的商业铱基催化剂,这种新型催化剂可降低80%的成本,并大幅提升反应的稳定性。该成果已被知名学术期刊《自然通讯》在线报道。

通过水裂解产生氧气,进而形成氢气,是最常见的氢气制备方法。其产生的电/光电催化析氧反应(OER),涉及四电子转移的复杂反应过程,会限制整体的能量转换效率。此前有科研人员研究出了金属铱作为催化剂提升反应效率,其贵于黄金的价格又给实验带去了新的负担,研制出既保证催化效果,且更为廉价的替代品,成了学界的一项难题。

侯阳课题组通过仿生学方法,从材料的原子结构开始剖析。他们发现叶绿体中存在一种金属-氮配位卟啉结构,可收集太阳能,利用光合作用氧化反应分解水,并释放出氧气。近年来,类似镍、钴、铁等过渡金属与氮配位掺杂的碳材料被认为是OER反应过程中催化剂的有力候选者。侯阳介绍,他们由此分析发现了镍-氮配位掺杂的碳材料。

“在这一特殊结构中,四个氮原子“拉着”金属镍原子,吸引氢氧根离子吸附,降低了各种中间环节的转换难度,进而加速氧气析出。”基于大量的理论计算,课题组创新性地用一个硫单原子替换了一个氮原子,对材料表面的电荷分布进一步优化,同时采用特殊工艺,将镍-氮材料“锚定”在碳基底上,规避了材料的不稳定性,最终使这种新型催化剂电极在碱性条件下表现出优异的电催化水裂解析氧活性和稳定性。

“OER析氧反应是水裂解器件和金属-空气电池的核心过程”。谈及未来的应用,侯阳表示,新一代燃料电池汽车,对高能量密度提出重要需求,水裂解产生的氢气能源将发挥重要作用。这项成果展现了工业级电解水制氢的潜能,或将助力新一代氢能汽车大规模降低燃料成本。

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