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新型催化剂可将制氢成本降低80%

2019-05-14 08:34
智造大视野
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据科技日报报道,浙江大学化学工程与生物工程学院侯阳研究员,通过将高度分散的镍单原子锚定在氮—硫掺杂的多孔纳米碳基底,设计开发出了一种单原子OER催化剂,能使电/光电催化水裂解析氧反应更加高效,从而提升氢气制备的效率。这种新型催化剂可降低80%的制氢成本,并大幅提升OER反应的稳定性。该成果已被知名学术期刊《自然通讯》在线报道。

通过水裂解产生氧气,进而形成氢气,是最常见的氢气制备方法,其产生的电/光电催化析氧反应(OER),会限制整体的能量转换效率。此前有科研人员研究出了金属铱作为催化剂来提升反应效率,但其价格十分昂贵。因此,研制出既保证催化效果又价格低廉的替代品,成了学界面临的难题。

侯阳课题组通过仿生学方法,从材料的原子结构开始剖析。他们发现叶绿体中存在一种金属——氮配位卟啉结构,可收集太阳能,利用光合作用氧化反应分解水,并释放出氧气。侯阳介绍,他们还通过分析发现了镍—氮配位掺杂的碳材料。

“在这一特殊结构中,四个氮原子‘拉着’金属镍原子,吸引氢氧根离子吸附,降低了各种中间环节的转换难度,进而加速氧气析出。”侯阳称,课题组创新性地用一个硫单原子替换了一个氮原子,进一步优化材料表面的电荷分布,同时采用特殊工艺,将镍—氮材料“锚定”在碳基底上,规避了材料的不稳定性,最终使这种新型催化剂电极在碱性条件下表现出优异的电催化水裂解析氧活性和稳定性。

“OER析氧反应是水裂解器件和金属—空气电池的核心过程”。侯阳表示,这项成果或将助力新一代氢能汽车大规模降低燃料成本。

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