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該?？蒲腥藛T在電解水制氫研究中出妙招——巧妙設(shè)計(jì)出遍布針尖的“松球結(jié)構(gòu)”催化劑，在保持制氫效果不變情況下，與商業(yè)鉑碳催化劑相比，鉑金屬的用量?jī)H約原來的七十五分之一。
相關(guān)成果近日在線發(fā)表在《自然·能源》上。
電解水制氫由于零污染、零排放的優(yōu)勢(shì)，受到越來越多研究者的注意，鉑催化劑是當(dāng)前電解水制氫的熱門方向。但按照傳統(tǒng)方式制造的鉑催化劑，催化過程一般都發(fā)生在催化劑表面，且參與反應(yīng)的是單個(gè)或近鄰的幾個(gè)原子，這樣就會(huì)導(dǎo)致表層的鉑原子忙得不亦樂乎，內(nèi)層的鉑原子卻無所事事，這勢(shì)必會(huì)影響電解水制氫的效率。如何讓催化劑中的鉑原子不吃“大鍋飯”，在催化反應(yīng)中每個(gè)鉑原子都能動(dòng)起來，成為科學(xué)家們深入思考的問題。氫能作為一種高效清潔可再生能源是當(dāng)前各界關(guān)注的熱點(diǎn)，電解水制氫由于零污染、零排放的優(yōu)勢(shì)而受到越來越多研究者注意。如何制出新型價(jià)廉高效催化劑成為關(guān)鍵一環(huán)。
目前按照傳統(tǒng)方式制造的鉑催化劑，催化過程一般發(fā)生在催化劑表面，表層鉑原子“忙得團(tuán)團(tuán)轉(zhuǎn)”，內(nèi)層鉑原子卻“無所事事”。
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)宋禮教授和江俊教授課題組合作，將之前扁平催化劑局限在二維平面反應(yīng)改造成三維立體反應(yīng)，形成一個(gè)表面滿是針尖的“球”，每個(gè)針尖都是一個(gè)單原子鉑，保證每個(gè)鉑原子都在“生產(chǎn)一線”，使其“無法偷懶”。
江俊表示，理論模擬發(fā)現(xiàn)，彎曲的球面會(huì)在尖端鉑原子處形成非常強(qiáng)的局域電場(chǎng)，相當(dāng)于給鉑原子腳上加了一個(gè)加速履帶，可以進(jìn)一步增強(qiáng)催化效率。
測(cè)試結(jié)果表明，當(dāng)電解溶液中的反應(yīng)物通過一顆顆的表面遍布針尖的“松球結(jié)構(gòu)”時(shí)，形成氫氣的速率大大增加。宋禮說：“在產(chǎn)氫量相同的情況下，我們?cè)O(shè)計(jì)的催化劑只需要一份鉑，而傳統(tǒng)商業(yè)鉑碳催化劑則需要約七八十份，很大程度上降低了催化劑成本。”
中科大宋禮教授課題組想到一個(gè)好辦法，能夠最大化地使鉑原子處于催化劑的表面。首先，他們選擇了單位質(zhì)量下?lián)碛凶畲蟊砻娴那蛐?，將之前扁平的催化劑做成一顆顆“球”，將以前局限在二維平面的反應(yīng)改造成三維立體的反應(yīng)，這樣可以發(fā)生反應(yīng)的場(chǎng)地就會(huì)大大增加。同時(shí)，每個(gè)鉑原子都位于球形的表面，保證了它們都在“生產(chǎn)一線”。如此一來，催化劑就形成了一個(gè)表面滿是針尖的“球”，每個(gè)針尖都是一個(gè)單原子鉑，沒有“人”可以“躲”在后面偷懶。江俊教授說：“這個(gè)設(shè)計(jì)還帶來一個(gè)驚喜的附加效果，理論模擬發(fā)現(xiàn)，彎曲的球面會(huì)在尖端鉑原子處形成非常強(qiáng)的局域電場(chǎng)，相當(dāng)于給鉑原子腳上加了一個(gè)加速履帶，可以進(jìn)一步增強(qiáng)催化效率。”測(cè)試結(jié)果表明，當(dāng)電解溶液中的反應(yīng)物通過一顆顆表面遍布針尖的“松球”時(shí)，形成氫氣的速率大大增加。
鉑金屬在電化學(xué)制氫反應(yīng)中擁有很重要的地位，該研究最大限度地減少鉑用量但并未影響制氫反應(yīng)催化效果，有望實(shí)現(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用，同時(shí)為進(jìn)一步優(yōu)化催化劑的性能指明了方向。
據(jù)科研人員介紹，鉑金屬在電化學(xué)制氫反應(yīng)中擁有很重要的地位，這一研究最大限度地減少鉑用量且并未影響制氫效果，有望實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用。