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【中國日報】權威論文揭示電解水制氫鉑金屬催化劑用量可大減 離規模化應用又近一步

時間:2019-06-11 13:55:33 來源:中國日報

  中國日報合肥6月10日電(記者 朱立新)近日,英國自然出版集團旗下子刊《自然·能源》雜志以研究論文形式在線發表了中國科學技術大學科研團隊的科研成果,稱在電解水制氫催化劑研究方面取得突破。科學家們在保持催化制氫效果不變的情況下,大大降低了催化劑的用量,從而大幅度降低了成本。


  據了解,電解水制氫由于零污染、零排放的優勢而受到越來越多研究者的注意。作為其中關鍵的一環,各種新型催化材料也層出不窮。科學家們普遍認為,鉑金屬是電解水最理想的金屬材料,但成本高昂,不利于大規模應用。


  中國科學技術大學宋禮教授和江俊教授合作,利用鉑金屬巧妙設計了遍布針尖的“松球結構”催化劑,在保持催化制氫效果不變的情況下,與商業鉑碳催化劑相比,鉑金屬的用量降低了近75倍。


  據研究團隊介紹,催化過程一般都發生在催化劑的表面,且參與反應的是單個或近鄰的幾個原子。那么按照傳統方式制造的鉑催化劑,表層的鉑原子忙得不亦樂乎,內層的鉑原子卻只能“無所事事地干瞪眼”。怎樣讓催化劑中的鉑原子“不吃大鍋飯”,每個都動起來是研究團隊要解決的問題。


  宋禮課題組想到了一個辦法,能夠最大化地使鉑原子處于催化劑的表面。首先,相對于之前的研究,他們選擇了單位質量下擁有最大表面的球形,將之前扁平的催化劑都做成一顆顆“球”,將以前局限在二維平面的反應改造成了三維立體的反應。


  同時,每個鉑原子都位于球形的表面,保證了它們都在“生產一線”。這樣催化劑形成了一個表面滿是針尖的“球”,每個針尖都是一個單原子鉑,沒有“人”可以“躲”在后面偷懶。


  江俊說:“這個設計還帶來一個驚喜的附加效果,理論模擬發現,彎曲的球面會在尖端鉑原子處形成非常強的局域電場,相當于給鉑原子腳上加了一個加速履帶,可以進一步增強催化效率。”


  最后測試結果表明,當電解溶液中的反應物通過一顆顆的表面遍布針尖的“松球”時,形成氫氣的速率大大增加。宋禮教授說:“在產氫量相同的情況下,我們設計的催化劑只需要一份鉑,而傳統商業鉑碳催化劑則需要七八十份的鉑,這在很大程度上降低了催化劑的成本。”


  《自然·能源》雜志的審稿人高度評價這項研究成果,稱:“這是一項關于單原子催化劑的相當復雜的研究,作者通過維度設計來調節電荷和局部電場,提高鉑原子的催化作用。我很欣賞這些有趣的想法。”


  宋禮稱該研究成果將來有望實現規模化應用,同時為進一步優化催化劑的性能指出了一個方向。


  中國日報網 2019-06-10

  http://cn.chinadaily.com.cn/a/201906/10/WS5cfdd083a31011d294daab31.html


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