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点石成金?科学家发现新型高度稳定的催化剂 或有助于把水变成燃料

2018-09-30 18:18 前瞻网   

 

点石成金?科学家发现新型高度稳定的催化剂 或有助于把水变成燃料
(图源:ScienceDaily)

博士后研究员Jaemin Kim,化学和生物分子工程学教授Hong Yang和研究生Pei-Chieh (Jack) Shih是一个研究小组的成员,他们开发了一种新材料,可以帮助分解水分子以生产氢燃料。

打破水分子中的氧和氢之间的键可能是以可持续的方式创造氢气的关键,但要找到一种经济上可行的技术来实现这一点已经被证明是困难的。

研究人员寻找到了一种新的产氢催化剂,它可以清除许多障碍——存量丰富、在酸性条件下稳定和效率较高。

在Angewandte Chemie杂志上,来自伊利诺伊大学香槟分校的研究人员报告了一种电催化材料,这种材料由金属化合物和一种叫做高氯酸的物质混合而成。

电解槽利用电把水分子分解成氧和氢。

这些装置中最有效的使用了腐蚀性酸和由金属化合物铱氧化物或钌氧化物制成的电极材料。

氧化铱是这两种化合物中较稳定的一种,但铱是地球上含量最少的元素之一,因此研究人员正在寻找一种替代材料。

“以前的大部分工作都是用由两种元素——一种金属和氧气的化合物——制成的电解槽来完成的,”伊利诺伊大学化学和生物分子工程教授、论文合著者Hong Yang说。

“在最近的一项研究中,我们发现如果一种化合物含有两种金属元素——钇和钌——和氧,那么水分解反应的速率就会增加。”

Yao Qin是论文的合著者,也是Yang的研究小组的前成员,他首先尝试了用不同的酸和加热温度来增加水分解反应速率的方法来制造这种新材料。

研究人员发现,当他们使用高氯酸作为催化剂,让混合物在高温下反应时,钇钌酸盐产品的物理性质发生了变化。

“这种材料变得更加多孔,而且有了一种新的晶体结构,与我们以前做过的所有固体催化剂都不同,”主要作者、博士后研究员Jaemin Kim说。

该团队开发的新型多孔材料——钇钌酸盐的一种焦氯氧化物——可以以比目前行业标准更高的速度分解水分子。

“由于其促进活性增加,当涉及到电催化剂时,多孔结构是非常理想的。”Yang说。

这些孔洞可以用纳米尺寸的模板和制作陶瓷的物质合成。然而,在制造高质量固体催化剂所需要的高温条件下,这些结构是无法坚持的。

Yang和他的团队用电子显微镜观察了他们的新材料的结构,发现它比他们在之前的研究中开发的原始钇钌酸盐多孔四倍,是商业上使用的铱钌氧化物的三倍。

“令人惊讶的是,我们选择酸作为这种反应的催化剂,结果是改善了电极材料的结构,”Yang说。

“这种认识是偶然的,对我们很有价值。”

Yang教授说,接下来的步骤是制造一个实验室规模的设备进行进一步的测试,并继续提高多孔电极在酸性环境中的稳定性。

“电极在酸中的稳定性一直是一个问题,但我们觉得,与这一领域的其他工作相比,我们找到了一些新的和不同的东西,”Yang说。

“这种类型的研究将对未来可持续能源的氢发电产生相当大的影响。”

研究生Pei-Chieh Shih,Zaid Al-Bardanand和阿贡国家实验室研究员Cheng-Jun Sun也参与了这项研究。

 

责任编辑: 3976DBC

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