导读使氢气生产清洁和廉价的最大挑战之一是找到一种替代催化剂,用于产生气体的化学反应,这种催化剂比目前使用的非常昂贵和稀有的铂便宜得多,

使氢气生产清洁和廉价的最大挑战之一是找到一种替代催化剂,用于产生气体的化学反应,这种催化剂比目前使用的非常昂贵和稀有的铂便宜得多,而且储量丰富。韩国的研究人员现在已经找到了一种方法,可以将一种廉价而丰富的物质“剪”进微小的纳米带,以满足要求,将其催化效率至少提高到铂的催化效率。

研究人员已经确定了一种潜在的催化剂替代品 - 以及一种使用化学“剪刀”生产它们的创新方法 - 可以使氢气生产更经济。

材料科学与工程系Sang Ouk Kim教授领导的研究团队在Nature Communications上发表了他们的研究成果。

氢可能在从化石燃料和其他产生温室气体排放的过程的清洁过渡中发挥关键作用。长途航运和航空等许多运输部门都难以实现电气化,因此需要清洁生产的氢气作为燃料或其他碳中性合成燃料的原料。同样,如果没有廉价和清洁的氢气,化肥生产和钢铁行业不太可能“脱碳”。

问题是,目前生产氢气最便宜的方法是使用天然气,这一过程本身会产生温室气体二氧化碳——这与目的背道而驰。

制氢的替代技术,例如使用浸入水中的两个电极之间的电流进行电解,以克服将水结合在一起的化学键,从而将其分解成其组成元素,即氧和氢。但是,除了极其耗能之外,导致成本高的因素之一是需要非常昂贵且相对稀有的贵金属铂。铂在制氢过程中用作催化剂——一种引发或加速化学反应的物质。

因此,研究人员长期以来一直在寻找铂金的替代品——铂金是另一种在地球上储量丰富且因此便宜得多的催化剂。

一段时间以来,纳米材料形式的过渡金属二硫属化物或 TMD 被认为是铂的催化剂替代品的良好候选者。这些是由一个过渡金属原子(元素周期表中间部分的元素)和两个硫属元素原子(元素周期表倒数第三列中的元素,特别是硫、硒)组成的物质和碲)。

使 TMD 成为铂金替代品的好选择不仅在于它们的含量要丰富得多,而且它们的电子结构也为电极提供了动力。

此外,作为纳米材料的TMD本质上是只有几个原子厚的二维超薄薄片,就像石墨烯一样。2-D TMD 纳米片的超薄特性允许在催化过程中暴露出比一块材料多得多的 TMD 分子,从而启动并加速制氢化学反应多得多。

然而,即使在这里,TMD 分子也仅在纳米片的四个边缘具有反应性。在平坦的内部,没有太多事情发生。为了提高制氢过程中的化学反应速率,需要将纳米片切割成非常薄的——几乎是一维的条带,从而产生许多边缘。

作为回应,研究团队开发了本质上是一把化学剪刀,可以将 TMD 剪成细条。

“到目前为止,任何人都能够变成这些‘纳米带’的唯一物质是石墨烯和磷烯,”参与设计该过程的研究人员之一金教授说。

“但它们都只由一个元素组成,所以很简单。弄清楚如何为由两个元素组成的 TMD 做到这一点会困难得多。”

“剪刀”包括一个两步过程,包括首先将锂离子插入 TMD 片的层状结构中,然后使用超声波以直线方式引起自发的“拉开”。

“它的工作原理有点像你劈开一块胶合板:它很容易沿着纹理向一个方向断裂,”金教授继续说道。“其实很简单。”

研究人员随后尝试使用各种类型的 TMD,包括由钼、硒、硫、碲和钨制成的 TMD。一切都一样好,催化效率与铂金一样有效。

由于程序简单,这种方法不仅可以用于 TMD 纳米带的大规模生产,而且还可以从其他多元素 2-D 材料制造类似的纳米带,用于生产氢气以外的目的。