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中國科大研制新型催化劑降低電解水制氫成本

來源:光明日報 2019-06-10 14:07中投投資咨詢網 A-A+

   能源是文明永恒的主題,氫能作為一種高效的清潔可再生能源更是本世紀的一大熱點。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。近日,中國科學技術大學的宋禮教授和江俊教授合作,推陳出新,獨辟蹊徑,利用催化效果最好的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,大大降低了催化劑的成本。相關成果在線發表在6月3日的《自然·能源》上。

  宋禮教授課題組想到了一個好辦法,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。曾經的一間小平房被改造成了一個球形小高層,可容納的人數——也就是可以發生反應的場地大大增加了。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。江俊教授說:“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。”

  審稿人高度評價:“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。”

  鉑金屬在電化學制氫反應中擁有很重要的地位,本工作最大限度地減少鉑用量但并未影響制氫反應催化效果,有望實現規模化應用;同時深入理解了催化劑效果與結構之間的聯系,為進一步優化催化劑的性能指明了方向。

關鍵詞:新型催化劑 電解水制氫
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