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          一種新的廉價催化劑可加速從水中產生氧氣

          2022-02-28  354

          一種新的廉價催化劑可加速從水中產生氧氣作者:麻省理工學院的 David L. Chandler說明:插圖描繪了一個電化學反應,在團隊的金屬氫氧化物有機框架結構內發生了一個電化學反應,將水分子(左側,紅色的氧原子和白色的兩個氫原子)分解成氧分子(右側),如圖所示作為頂部和底部的格子。圖片來源:麻省理工學院將水分子分解以產生氧氣的電化學反應是多種方法的核心,這些方法旨在生產用于運輸的替代燃料。但是這種反應必須通過催化劑材料來促進,而今天的版本需要使用稀有和昂貴的元素,如銥,限制了這種燃料生產的潛力?,F在,麻省理工學院和其他地方的研究人員已經開發出一種全新的催化劑材料,稱為金屬氫氧化物-有機骨架 (MHOF),它由廉價且豐富的成分制成。該材料系列使工程師能夠根據特定化學過程的需要精確調整催化劑的結構和成分,然后它可以匹配或超過傳統、更昂貴的催化劑的性能。

          這些發現今天發表在《自然材料》雜志上,由麻省理工學院博士后袁帥、研究生彭佳宇、楊紹霍恩教授、尤里·羅曼-萊什科夫教授和其他 9 人撰寫。

          析氧反應是燃料、化學品和材料的電化學生產中常見的反應之一。這些過程包括產生氫氣作為氧氣釋放的副產品,氫氣可以直接用作燃料或進行化學反應以生產其他運輸燃料;氨的制造,用作肥料或化學原料;和減少二氧化碳以控制排放。

          但在沒有幫助的情況下,“這些反應遲緩,”Shao-Horn 說?!皩τ趧恿W緩慢的反應,你必須犧牲電壓或能量來提高反應速率?!?由于需要額外的能量輸入,“整體效率很低。這就是人們使用催化劑的原因,”她說,因為這些材料通過降低能量輸入自然地促進反應。

          但直到現在,這些催化劑“都依賴于昂貴的材料或非常稀缺的晚期過渡金屬,例如氧化銥,并且社區一直在努力尋找基于地球上豐富的具有相同材料的替代品在活性和穩定性方面的表現,”Román-Leshkov 說。該團隊表示,他們已經找到了能夠提供這種特性組合的材料。

          Román-Leshkov 說,其他團隊已經探索了金屬氫氧化物的使用,例如鎳鐵氫氧化物。但是這種材料很難適應特定應用的要求。不過,現在,“我們的工作非常令人興奮且非常相關的原因是,我們找到了一種通過以獨特方式對這些金屬氫氧化物進行納米結構化來調整性能的方法?!痹搱F隊借鑒了對一類被稱為金屬有機框架(MOF) 的相關化合物的研究,這是一種由金屬氧化物節點與有機連接分子連接在一起的晶體結構。研究小組發現,通過用某些金屬氫氧化物代替這些材料中的金屬氧化物,可以制造出精確可調的材料,這些材料還具有必要的穩定性,可用作催化劑。

          Román-Leshkov 說:“你將這些有機接頭的這些鏈彼此相鄰放置,它們實際上會引導金屬氫氧化物片的形成,這些金屬氫氧化物片與這些有機接頭相互連接,然后堆疊起來,具有更高的穩定性?!?他說,這有很多好處,可以精確控制納米結構圖案,精確控制金屬的電子特性,并提供更高的穩定性,使它們能夠經受長時間的使用。

          在測試這些材料時,研究人員發現催化劑的性能“令人驚訝”,Shao-Horn 說?!八膳c催化析氧反應的最先進的氧化物材料相媲美?!?/p>

          他們說,這些材料主要由鎳和鐵組成,應該比現有催化劑便宜至少 100 倍,盡管該團隊尚未進行全面的經濟分析。

          這一系列材料“確實提供了一個新的空間來調整催化水分解的活性位點,以減少能量輸入產生氫氣,”Shao-Horn 說,以滿足需要此類催化劑的任何給定化學過程的確切需求。

          Peng 說,這些材料可以提供比現有鎳基催化劑“高五倍的可調性”,只需用不同的金屬代替化合物中的鎳?!斑@可能會為未來的發現提供許多相關途徑?!?這些材料還可以制成極薄的片材,然后可以將其涂在另一種材料上,從而進一步降低此類系統的材料成本。

          到目前為止,這些材料已經在小型實驗室測試設備中進行了測試,該團隊現在正在解決嘗試將工藝擴大到商業相關規模的問題,這可能還需要幾年時間。但這個想法具有巨大的潛力,Shao-Horn 說,可以幫助催化生產清潔、無排放的氫燃料,這樣“我們就可以降低這一過程中氫的成本,同時不受貴金屬可用性的限制。 . 這很重要,因為我們需要可以規?;闹茪浼夹g?!?/p>

          原文鏈接:https://www.xianjichina.com/special/detail_506332.html

          來源:賢集網

          廈門昌霖化工有限公司:一種新的廉價催化劑可加速從水中產生氧氣

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