科学家开发低成本水电解催化剂

在许多人看来，氢最有希望成为取代化石燃料的能源。然而，传统生产纯氢的方式因面临着诸多问题而束缚了氢能的潜力，这些问题包括，生产氢时会产生大量的二氧化碳，并且需要白金等稀少且昂贵的化学物质。如今上述情况或许即将发生根本改变，其原因是美国能源部布鲁克海文国家实验室的科学家通过研究，开发出了新的用于电解水的电催化剂。它采用相对廉价的材料解决了从清洁水中获取氢气的问题之一。他们研发的镍钼氮化物催化剂为纳米片状结构，开启了新的有效氢催化模式。 传统催化剂过于昂贵 水是生产纯氢的理想资源，它不仅储量丰富，而且在生产氢的过程中不会排放温室效应气体。然而，电解水产出氢和氧的过程需要外加电能和有效破坏水分子化学键的催化剂。通常，人们在获得氢气的同时，希望外加的用于帮助电化学反应的能量尽可能地少。对于能促进电解水效率的催化剂而言，它必须同时具有经久耐用、活性极高和表面积大的特点。构成催化剂的元素与氢的亲和力的强弱决定了电解水反应的能力：亲和力太弱，反应则无法进行；亲和力太强，起始活性将使催化剂中毒。在过去的实践中，人们认识到白金电催化方法分解水生产氢具有相当高的效率。但是，令人遗憾的是白金催化剂的成本在不断上升，白金（现在的价格在1千克5万美元左右）和其他贵重金属的高价让投资者驻足观望。布鲁克海文国家实验室研究项目负责人詹姆斯·穆克尔曼说，人们偏爱白金，然而全球有限的供应不仅导致白金价格上涨，同时让人们怀疑它的长久性，也许它不能足以支持全球氢经济的发展。穆克尔曼表示，开始时，他们的目标是将一种与氢的亲和力很弱的非贵重金属与另外一种与氢的亲和力很强的非贵重金属混合，获得活性高且稳定的催化剂，并将目光锁定在储量丰富且价格便宜的金属镍和钼上。按照目前的市场行情，镍和钼每千克的价格分别为20美元和32美元。两者组合起来后，价格要比白金的价格低1000倍。当然，对于能源催化剂来说，人们常常更多考虑的是性能而不是价格。 新型催化剂模式探索 在新研发的催化剂中，镍取代了白金在反应中的位置，但是它本身的电子密度却无法同白金相比。为弥补镍自身的不足，于是科学家借助钼来增强镍的反应能力。虽然此方法有效，但是仍然无法与白金相媲美。研究论文第一作者陈伟赋（音译）介绍说，为进一步提高催化性能，他们引入了第3个元素氮来改变镍和钼的电子态。氮早已用于疏松材料或尺寸大于1微米的物质中，但是用在纳米尺寸的材料中却具有较大的难度。起初，科学家期望用氮来改变镍钼的结构，形成不连续的类球体纳米粒子。但有趣的是，在研发过程中，他们却有新的发现。在高温氨环境中，向镍钼复合物注入氮，科学家发现镍钼氮出乎意外地形成了具有极大反应面积的二维纳米薄片。借助布鲁克海文国家实验室凝聚物理学和材料学分部的高分辨率通光显微镜以及国家同步辐射光源X光探测仪，科学家搞清楚了新材料的二维结构以及电子排布。陈伟赋表示，这是人们首次获得纳米薄片金属氮化物，氮的引入导致镍钼复合物发生了巨大的变化，它扩展了镍钼合金的晶格，提高了电子密度，让电子结构近似于贵金属，同时能防止腐蚀。科学家新开发的催化剂的性能与白金催化剂的相近，具有任何其他非贵重金属复合物所无法比拟的电催化活性和稳定性。穆克尔曼表示，新催化剂生产工艺既简单又能规模化，从而可让镍钼氮化物有足够的能力满足工业应用的需要。研究项目的构思者、布鲁克海文国家实验室化学家孝太郎·佐佐木表示，他们最初希望设计出一种活性高且价格低的最优催化剂，有能力产生足够的氢气作为高密度和清洁的能源。新催化剂的实际性能超过了他们的期望。虽然新催化剂并不意味着生产廉价氢能的所有问题得到了完全解决，但是它的确大幅度降低了电解水主要设备的成本。科学家强调他们的突破源于基础知识的探索，这种途径有望改变整个研究进程，其提出的新模式将引导未来的研究。（来源：科技日报毛黎）