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铱:新方法为水分解创造了一种特殊的单原子催化剂
时间:2021-09-09 文章来源:
  

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道,一种将单个铱原子固定在催化剂表面的新方法提高了催化剂分解水分子的效率,达到了创纪录的水平。

这是该方法首次应用于析氧反应(OER)——这是一种称为电解的过程的一部分,该过程利用电力将水分解为氢和氧。如果以可再生能源为动力,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。但是,OER的缓慢步伐已经成为提高其效率以便在公开市场上竞争的瓶颈。

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研究小组说,这项研究的结果可以缓解瓶颈,并为观察和理解这些单原子催化中心在实际工作条件下的运作开辟新的途径。

他们今天在《国家科学院院刊》上发表了研究结果。

产业骨干

催化剂是化学工业的支柱,对未来的可持续能源前景充满希望。就像媒人一样,他们从流动的液体或气体中抓取分子,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这一过程的效率,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的可能表面积。

但只有纳米颗粒外部的原子才能参与催化;内在的会被浪费掉。当催化剂是昂贵的贵金属如铱或铂时,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。它们的微小尺寸意味着它们中的很多可以安装在给定支撑结构的表面上。这大大增加了暴露在反应物中的活性催化剂的数量以及一次可以发生的反应的数量,从而提高了效率。

在这项研究中,SLAC/斯坦福大学教授崔毅和SLAC工作人员科学家米哈尔·巴伊迪奇领导的团队开发了一种新方法,将单个铱原子固定在支撑表面上。斯坦福大学博士后研究人员郑雪莉和汤静在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进行了这项实验,揭示了哪种配置最稳定、最有效。


逐个原子锚定


为了制造这种新催化剂,研究人员首先制造了一种多孔结构,以支撑能够催化反应的铱原子。

他们将这种泡沫状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、富含铱的冰层,并进行额外处理,以形成分布均匀的位置,其中单个铱原子紧密地固定在支撑表面上。

对起作用的催化剂的X射线观察显示,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时异常有效。

其他测试表明,这种活性的增强完全是由于铱以单个孤立原子的形式存在,而不仅仅是由于铱嵌入的大表面积。

研究人员报告说,得到的催化剂比目前已知的大多数铱基催化剂要好。他们说,这种新的原子锚定系统为探索和建立各种电催化反应的催化剂及其载体结构之间的联系提供了理想的模型

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