寫稿
投稿
氫氣是一種可持續(xù)的清潔能源，氫的存儲(chǔ)和運(yùn)輸技術(shù)彌合了可持續(xù)能源生產(chǎn)和燃料使用之間的差距，因此是可行的氫經(jīng)濟(jì)的重要組成部分。但是傳統(tǒng)的存儲(chǔ)和運(yùn)輸方式價(jià)格昂貴并且容易受到污染。為此，科學(xué)家在尋找可靠、低成本和簡(jiǎn)單的替代技術(shù)。效率更高的氫氣輸送系統(tǒng)將使許多應(yīng)用受益，例如固定電源、便攜式電源和移動(dòng)車輛行業(yè)。
發(fā)表在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》上一篇論文表明，研究人員設(shè)計(jì)并合成了一種有效的材料，可以加快從醇中提取氫的限制步驟之一。這種材料是一種催化劑，是由固定在2-D襯底上的微小鎳金屬簇制成的。
論文第一作者張卓雷（Zhuolei Zhang）畢業(yè)于吉林大學(xué)，現(xiàn)為伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室分子鑄造研究所的博士后研究員，論文作者中還包括其他五位中國(guó)學(xué)者。
該研究發(fā)現(xiàn)，該催化劑可以清潔有效地加速?gòu)囊簯B(tài)化學(xué)載體中除去氫原子的反應(yīng)。這種材料堅(jiān)固耐用，是由富含地球的金屬制成的，而不是由貴金屬制成的現(xiàn)有選擇，它將有助于使氫成為廣泛應(yīng)用中的可行能源。如圖所示帶有缺陷的2D氮化硼襯底，該缺陷包含微小的鎳團(tuán)簇。催化劑有助于從液體化學(xué)載體中除去氫的化學(xué)反應(yīng)，使其可用作燃料。
論文主導(dǎo)、杰夫·厄本（Jeff Urban）表示：“對(duì)于一種重要的可再生能源燃料，我們?cè)诖瞬粌H展示了一種比我們測(cè)試過的其他鎳催化劑更高的活性的催化劑，而且還提出了在各種反應(yīng)中使用可承受的金屬的更廣泛的策略?！?/p>
用作催化劑的化學(xué)化合物通常用于提高化學(xué)反應(yīng)的速度而無需消耗化合物本身，它們可能將特定分子保持在穩(wěn)定的位置，或充當(dāng)中間體使重要的步驟可靠地完成。對(duì)于由液體載體產(chǎn)生氫的化學(xué)反應(yīng)，最有效的催化劑是由貴金屬制成。然而，這些催化劑具有高成本和低豐度，并且容易受到污染。由更常見的金屬制成的其他較便宜的催化劑往往效率較低且穩(wěn)定性較差，這限制了它們的活性及其在制氫行業(yè)中的實(shí)際應(yīng)用。
為了提高這些富含地球的金屬基催化劑的性能和穩(wěn)定性，研究屯對(duì)修改了一種策略，著重于鎳金屬的細(xì)小、均勻團(tuán)簇。微小簇很重要，因?yàn)樗鼈兛梢栽诮o定量的材料中使反應(yīng)性表面的暴露最大化。但是它們也傾向于聚集在一起，從而抑制了它們的反應(yīng)性。
張卓雷和論文第二作者蘇濟(jì)（Ji Su）設(shè)計(jì)并進(jìn)行了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)通過將1.5納米直徑的鎳團(tuán)簇沉積到由鎳制成的二維襯底上來對(duì)抗結(jié)塊。硼和氮經(jīng)過改造，可以容納原子級(jí)酒窩網(wǎng)格。鎳簇變得均勻分散并牢固地錨固在凹坑中。該設(shè)計(jì)不僅防止結(jié)塊，而且其熱和化學(xué)性質(zhì)通過與鎳簇直接相互作用而大大提高了催化劑的整體性能。
如圖所示缺陷BN納米片的形成和Ni納米團(tuán)簇的進(jìn)一步沉積的示意圖。 通過氣體剝落和基于鋰嵌入的剝落的組合剝落方法，A由塊狀BN（A）制備有缺陷的BN納米片（B）。 通過在BN納米片溶液中萘鋰的原位反應(yīng)沉積Ni納米團(tuán)簇。 Ni / BN納米復(fù)合材料的擬議“凹坑”結(jié)構(gòu)（C）。
詳細(xì)的X射線和光譜測(cè)量，再加上理論計(jì)算，揭示了許多有關(guān)底層表面及其在催化中的作用的信息。研究人員通過計(jì)算建模方法，確定了二維薄板的物理和化學(xué)性質(zhì)的變化，同時(shí)形成并沉積了微小的鎳團(tuán)簇。提出，材料是在金屬團(tuán)簇占據(jù)板材原始區(qū)域并與附近邊緣相互作用的同時(shí)形成的，從而保留了微小的團(tuán)簇。微小、穩(wěn)定的團(tuán)簇促進(jìn)了氫從其液體載體中分離出來的過程中的作用，從而使催化劑具有出色的選擇性，生產(chǎn)率和穩(wěn)定的性能。
計(jì)算表明，催化劑的尺寸是其活性相對(duì)于最近報(bào)道的其他催化劑而言最好的原因。與較大的金屬顆粒相比，在這些微小簇上富集的裸金屬原子更容易吸引液體載體。這些暴露的原子還簡(jiǎn)化了從載體上除去氫的化學(xué)反應(yīng)步驟，同時(shí)防止了形成可能阻塞團(tuán)簇表面的污染物。因此，在制氫反應(yīng)的關(guān)鍵步驟中，該材料保持無污染。這些催化和抗污染特性是從有意引入二維薄板的缺陷中出現(xiàn)的，最終幫助使簇的尺寸減小。
在他們的催化劑中，研究人員實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)建相對(duì)便宜、易于獲得且穩(wěn)定的材料的目標(biāo)，該材料有助于從液體載體中剝離氫用作燃料，該技術(shù)可以幫助優(yōu)化從液態(tài)化學(xué)載體中提取氫氣的過程。
參考：Zhuolei Zhang et al, Enhanced and stabilized hydrogen production from methanol by ultrasmall Ni nanoclusters immobilized on defect-rich h-BN nanosheets,Proceedings of the National Academy of Sciences(2020).DOI: 10.1073/pnas.2015897117
