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权威论文揭示电解水制氢铂金属催化剂用量可大减 离规模化应用又近一步

作者: 朱立新 来源:中国日报网
2019-06-10 11:37 

中国日报合肥6月10日电(记者 朱立新)近日,英国自然出版集团旗下子刊《自然·能源》杂志以研究论文形式在线发表了中国科学技术大学科研团队的科研成果,称在电解水制氢催化剂研究方面取得突破。科学家们在保持催化制氢效果不变的情况下,大大降低了催化剂的用量,从而大幅度降低了成本。

据了解,电解水制氢由于零污染、零排放的优势而受到越来越多研究者的注意。作为其中关键的一环,各种新型催化材料也层出不穷。科学家们普遍认为,铂金属是电解水最理想的金属材料,但成本高昂,不利于大规模应用。

中国科学技术大学宋礼教授和江俊教授合作,利用铂金属巧妙设计了遍布针尖的“松球结构”催化剂,在保持催化制氢效果不变的情况下,与商业铂碳催化剂相比,铂金属的用量降低了近75倍。

据研究团队介绍,催化过程一般都发生在催化剂的表面,且参与反应的是单个或近邻的几个原子。那么按照传统方式制造的铂催化剂,表层的铂原子忙得不亦乐乎,内层的铂原子却只能“无所事事地干瞪眼”。怎样让催化剂中的铂原子“不吃大锅饭”,每个都动起来是研究团队要解决的问题。

宋礼课题组想到了一个办法,能够最大化地使铂原子处于催化剂的表面。首先,相对于之前的研究,他们选择了单位质量下拥有最大表面的球形,将之前扁平的催化剂都做成一颗颗“球”,将以前局限在二维平面的反应改造成了三维立体的反应。

同时,每个铂原子都位于球形的表面,保证了它们都在“生产一线”。这样催化剂形成了一个表面满是针尖的“球”,每个针尖都是一个单原子铂,没有“人”可以“躲”在后面偷懒。

江俊说:“这个设计还带来一个惊喜的附加效果,理论模拟发现,弯曲的球面会在尖端铂原子处形成非常强的局域电场,相当于给铂原子脚上加了一个加速履带,可以进一步增强催化效率。”

最后测试结果表明,当电解溶液中的反应物通过一颗颗的表面遍布针尖的“松球”时,形成氢气的速率大大增加。宋礼教授说:“在产氢量相同的情况下,我们设计的催化剂只需要一份铂,而传统商业铂碳催化剂则需要七八十份的铂,这在很大程度上降低了催化剂的成本。”

《自然·能源》杂志的审稿人高度评价这项研究成果,称:“这是一项关于单原子催化剂的相当复杂的研究,作者通过维度设计来调节电荷和局部电场,提高铂原子的催化作用。我很欣赏这些有趣的想法。”

宋礼称该研究成果将来有望实现规模化应用,同时为进一步优化催化剂的性能指出了一个方向。

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