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伯克利实验室开发新型纳米催化材料 提升甲醇制氢效率

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58京牌 ,由劳伦斯伯克利国家实验室的分子实验室领导的研究团队设计并合成超小镍纳米簇(约1.5 nm),可沉积在富含缺陷的氮化硼纳米片上构成催化剂(Ni/BN),具有优异的甲醇脱氢活性和选择性。

(图片来源:greencarcongress)

研究人员表示,该催化剂可以加速反应,清洁高效地从甲醇等液体化学载体中脱离氢原子。与现有由贵金属制成的材料不同,这种材料坚固耐用,由储量丰富的金属制成,具有推动可行性氢能源发展的潜力,应用范围广泛。

对于利用液体载体制氢的化学反应来说,最有效的催化剂由贵金属制成,然而这些催化剂成本高、低,易受污染。其他由更常见的金属制成的催化剂,虽然成本较低,却往往效率较低,稳定性较差,影响催化活性及其在制氢行业的实际应用。为了提高这些低成本金属催化剂的性能和稳定性,研究负责人Urban及其同事调整策略,将重点放在微小的、均匀的镍金属簇上。这些微小的团簇在既定数量材料中,能够充分扩展反应表面,发挥重要作用,然而它们有可能聚集在一起,并抑制反应活性。

主要研究人员Chuckhole Zhang和Ji Su设计并进行实验,将直径为1.5 nm的镍金属簇沉积在由硼和氮组成的2D基板上。这些基板中带有原子层面凹窝网络,可以防止结块,使镍金属簇在其中均匀分散,并牢固地固定在凹窝中。

这种设计不仅能够防止结块,而且通过直接与镍金属簇作用,可以提供优异的热性能和化学性能,并大幅提升催化剂整体性能。研究发现,在团簇形成和沉积阶段,下垫面的作用至关重要,并可为理解它们在其他过程中的作用提供线索。通过详细的X射线和光谱测量,再结合理论计算,可以揭示关于下垫面的许多情况,及其在催化过程中的作用。利用美国能源部在伯克利实验室的用户设施先进光源(Advanced Light Source)的工具和计算建模方法,研究人员可以确定,在形成和沉积微小镍金属簇的过程中,2D薄片的物理和化学性质变化。

研究团队认为,在材料形成过程时,金属簇占据了薄片的原始区域,并与附近边缘相互作用,从而使团簇保持微小尺寸。在从液体载体中分离氢的过程中,这些微小而稳定的团簇能起到促进作用,使催化剂具有优异的选择性、生产率和稳定的性能。与近期报道的其他催化剂相比,这是活性最好的催化剂之一。计算表明,其原因在于催化剂的大小。

研究人员David Prendergast和Ana Sanz-Matias利用模型和计算方法,揭示这种微小金属簇独特的几何和电子结构。裸露金属原子大量存在于这些微小的团簇上,与较大的金属颗粒相比更容易吸引液体载体;同时,可以简化从载体上脱氢的化学反应步骤,并防止形成污染物,以免堵塞团簇表面,因此在关键制氢反应步骤中,该材料可以保持无污染状态。这些性能均受益于故意引入2D薄片中的缺陷,有助于团簇保持小尺寸。

在此项研究中,研究人员开发出一种相对便宜、容易获得和稳定的催化材料,有助于从液体载体中脱氢作为燃料。伯克利实验室团队将进一步调整策略,改良支持微小金属簇的2D基板,以开发更高效的催化剂,优化从液体化学载体中提取氢气的工艺。

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