新方法为水分解创造了一种特殊的单原子催化剂

2021年09月02日 阅读量:4

来自能源部 SLAC 国家加速器实验室和斯坦福大学的科学家今天报告说,一种将单个铱原子锚定在催化剂表面的新方法将其分解水分子的效率提高到了创纪录的水平。

这是该方法首次应用于析氧反应或 OER——电解过程的一部分,该过程使用电力将水分解为氢和氧。如果由可再生能源提供动力,电解可以更可持续地生产燃料和化学原料,并减少化石燃料的使用。但 OER 的缓慢步伐一直是提高效率的瓶颈,因此它可以在公开市场上竞争。

 

研究小组表示,这项研究的结果可以缓解瓶颈并开辟新的途径来观察和理解这些单原子催化中心在现实工作条件下的运作方式。

 

他们今天在《美国国家科学院院刊》上发表了他们的研究结果。

 

产业骨干

 

催化剂是化学工业的支柱,对可持续能源的未来充满希望。就像媒人一样,它们从流过的液体或气体流中抓取分子,并鼓励它们相互反应,而不会被自己消耗掉。为了最大限度地提高该过程的效率,催化剂纳米颗粒通常分散在多孔材料的表面,为同时发生的许多反应提供最大可能的表面积。

 

但是只有纳米粒子外面的原子才能参与催化;内在的就浪费了。当催化剂是像铱或铂这样的贵金属时,即使是少量的废物也是昂贵的。因此,科学家们一直致力于使用这些贵金属的单个原子来代替。每个原子都是一个催化反应中心。它们的小尺寸意味着更多的它们可以安装在给定的支撑结构的表面上。这大大增加了暴露于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。

 

在这项研究中,由 SLAC/Stanford 教授 Yi Cui 和 SLAC 工作人员科学家 Michal Bajdich 领导的团队开发了一种将单个铱原子锚定在支撑表面上的新方法。斯坦福大学博士后研究人员郑雪莉和汤靖进行了这项实验,在 SLAC 副研究员亚历山德罗·加洛 (Alessandro Gallo) 的 X 射线数据理论模拟的帮助下,揭示了哪种配置最稳定、最有效。

 

逐个原子锚定

 

为了制造新的催化剂,研究人员首先制造了一种多孔结构来支撑催化反应的铱原子。

 

他们将这种类似泡沫的结构暴露在含有铱化合物的溶液中,迅速将其冻结,在表面形成一层薄薄的富含铱的冰层,并进行额外的处理以创建分布均匀的位点,在这些位点上,单个铱原子紧密地固定在上面支撑面。

 

对工作中的催化剂进行 X 射线观察表明,铱原子处于化学状态,这使得它们在进行水分解反应中释放氧气的部分非常有效。

 

其他测试表明,这种增强的活性完全是由于铱以单个孤立原子的形式存在,而不仅仅是由于它们嵌入的大表面积。

 

研究人员报告说,由此产生的催化剂比迄今为止已知的大多数铱基催化剂都要好。他们表示,这种新的原子锚定系统为探索和建立催化剂及其载体结构之间的联系提供了理想的模型,用于各种电催化反应。

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