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制“氧”有道!研究人员开发出一种新的廉价催化剂,可快速从水中分解氧气

2022年3月1日

将水分子分解以产生氧气的电化学反应是多种方法的核心,这些方法旨在生产用于运输的替代燃料。但是这种反应必须通过催化剂材料来促进,而目前的版本需要使用稀有和昂贵的元素,如铱,限制了这种燃料生产的潜力。

 

现在,麻省理工学院和其他地方的研究人员已经开发出一种全新的催化剂材料,称为金属氢氧化物-有机骨架 (MHOF),它由廉价且丰富的成分制成。该材料系列使工程师能够根据特定化学过程的需要精确调整催化剂的结构和成分,然后它可以匹配或超过传统、更昂贵的催化剂的性能。

 

这些发现发表在《自然材料》杂志上,由麻省理工学院博士后袁帅、研究生彭佳宇、杨绍霍恩教授、尤里·罗曼-莱什科夫教授和其他 9 人撰写。

 

说明:插图描绘了一个电化学反应,在团队的金属氢氧化物有机框架结构内发生了一个电化学反应,将水分子(左侧,红色的氧原子和白色的两个氢原子)分解成氧分子(右侧),如图所示作为顶部和底部的格子。图片来源:麻省理工学院

 

析氧反应是燃料、化学品和材料的电化学生产中常见的反应之一。这些过程包括产生氢气作为氧气释放的副产品,氢气可以直接用作燃料或进行化学反应以生产其他运输燃料;氨的制造,用作肥料或化学原料;和减少二氧化碳以控制排放。

 

但在没有帮助的情况下,这些反应迟缓,对于动力学缓慢的反应,必须牺牲电压或能量来提高反应速率。 由于需要额外的能量输入,整体效率很低。这就是人们使用催化剂的原因,因为这些材料通过降低能量输入自然地促进反应。

 

但直到现在,这些催化剂都依赖于昂贵的材料或非常稀缺的晚期过渡金属,例如氧化铱,并且社区一直在努力寻找基于地球上丰富的具有相同材料的替代品在活性和稳定性方面的表现,该团队表示,他们已经找到了能够提供这种特性组合的材料。

 

Román-Leshkov 指出,其他团队已经探索了金属氢氧化物的使用,例如镍铁氢氧化物。但是这种材料很难适应特定应用的要求。不过,现在,我们的工作非常令人兴奋且非常相关的原因是,我们找到了一种通过以独特方式对这些金属氢氧化物进行纳米结构化来调整性能的方法。

 

该团队借鉴了对一类被称为金属有机框架(MOF) 的相关化合物的研究,这是一种由金属氧化物节点与有机连接分子连接在一起的晶体结构。研究小组发现,通过用某些金属氢氧化物代替这些材料中的金属氧化物,可以制造出精确可调的材料,这些材料还具有必要的稳定性,可用作催化剂。

 

你将这些有机接头的这些链彼此相邻放置,它们实际上会引导金属氢氧化物片的形成,这些金属氢氧化物片与这些有机接头相互连接,然后堆叠起来,具有更高的稳定性。这有很多好处,可以精确控制纳米结构图案,精确控制金属的电子特性,并提供更高的稳定性,使它们能够经受长时间的使用。

 

在测试这些材料时,研究人员发现催化剂的性能“令人惊讶”,它可与催化析氧反应的最先进的氧化物材料相媲美。

 

这些材料主要由镍和铁组成,应该比现有催化剂便宜至少 100 倍,尽管该团队尚未进行全面的经济分析。

 

这一系列材料确实提供了一个新的空间来调整催化水分解的活性位点,以减少能量输入产生氢气,以满足需要此类催化剂的任何给定化学过程的确切需求。

 

这些材料可以提供比现有镍基催化剂“高五倍的可调性”,只需用不同的金属代替化合物中的镍。这可能会为未来的发现提供许多相关途径。这些材料还可以制成极薄的片材,然后可以将其涂在另一种材料上,从而进一步降低此类系统的材料成本。

 

到目前为止,这些材料已经在小型实验室测试设备中进行了测试,该团队现在正在解决尝试将工艺扩大到商业相关规模的问题,这可能还需要几年时间。但这个想法具有巨大的潜力,可以帮助催化生产清洁、无排放的氢燃料,这样就可以降低这一过程中氢的成本,同时不受贵金属可用性的限制。  这很重要,因为我们需要可以规模化的制氢技术。

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