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研究人员开发原子锚定催化剂系统 将水分解效率提高至创纪录水平

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58京牌 ,美国能源部SLAC国家加速器实验室(US Department of Energy’s SLAC National Accelerator Laboratory)和斯坦福大学(Stanford University)的科学家们开发了一种新方法,通过将单铱原子锚定在催化剂表面,提高水分子分解的效率,使其达到创记录水平。

(图片来源:SLAC)

这是首次在析氧反应中运用这种方法。该反应是电解过程的一部分,该过程使用电力将水分解为氢和氧。如果采用可再生能源提供动力,通过电解可以更可持续地生产燃料和化学原料,并减少使用化石燃料。但OER的反应速度缓慢,一直是提高电解效率及其市场竞争力的瓶颈。

本项研究的结果能够缓解这一问题,为观察和了解单原子催化剂中心如何在真实工作条件下运行开辟新的途径。催化剂是化学产业的基础,承载着可持续能源未来的希望。催化剂像月老一样,抓住流经液体或气体的分子,让它们互相发生反应,而不是被自身消耗掉。为了充分提高这一过程的效率,通常将催化剂纳米颗粒分散在多孔材料的表面,从而提供最大表面积,支持同时发生许多反应。

但是,只有纳米颗粒外面的原子可以参与催化过程,内部的原子往往都浪费了。如果催化剂中用的是非常昂贵的金属,如铱或铂,甚至少量浪费的代价也是很高的。因此,科学家们一直在探讨使用这些贵重金属的单个原子。每个原子是一个催化反应中心,其尺寸非常小,因此,既定载体结构的表面可以容纳更多的原子。这极大地提高了接触反应物的活性催化剂的数量,以及可以同时发生的反应数量,从而提高了效率。

在本项研究中,由SLAC和斯坦福大学的Yi Cui和SLAC的科学家Michal Bajdich领导的团队开发了一种新方法,将单个铱原子锚定在载体表面上。斯坦福大学的博士后研究人员 Xueli Zheng和Jing Tang进行了这项实验,并得到SLAC副研究员Alessandro Gallo的X射线数据理论模拟支持,从而揭示哪种配置最为稳定和有效。

为了制造这种新催化剂,科学家们首先制造了一种多孔结构,以支撑可以催化反应的铱原子。接着,使这种泡沫状结构暴露在含有铱化合物的溶液中。通过迅速冷冻该溶液,在表面上创造了一种富铱薄冰层。然后,进行额外的加工过程,以创建分布均匀的位点,使单个铱原子紧密地贴在载体表面上。

对工作中的催化剂进行X射线观察显示,铱原子处于一种化学状态,在水分解反应释放氧气的过程中发挥了特别有效的作用。其他测试表明,活性增强的原因完全在于铱以单个孤立原子的形式存在,而不仅仅是因为嵌入的表面积很大。

据报告,比起目前大多数铱基催化剂,这种催化剂的表现更加出色。研究人员表示,这种新的原子锚定系统,为探讨和在催化剂及其载体结构之间建立联系提供了一个理想的模型。

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