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布朗大学发现水分解制氢中铂催化作用好的真实原因 或设计铂替代品

时间:2020-02-10 12:07来源:盖世汽车 作者:余秋云
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(图片来源:布朗大学)
 
       据外媒报道,科学家们早就知道,铂是目前分解水制氢的最佳催化剂。美国布朗大学(Brown University)研究人员的一项新研究表明了,为何该种贵金属如此有效,而且得出的结果并不是人们所认为的结果。
 
       据论文作者所说,该项研究帮助解决了一个困扰大家近一个世纪的问题,而且有助于设计出比铂更便宜、更丰富的新型催化剂,以生产氢气,可能有助于减少化石燃料的排放。
 
       布朗大学工程学院副教授兼该研究的首席作者Andrew Peterson表示:“如果我们能够找到廉价、有效的制氢方法,就能够为无化石燃料和化学制品的许多实用解决方案打开大门。氢可用于燃料电池,而燃料电池可以用于氢动力汽车,与过量的二氧化碳结合可以制造燃料,与氮结合可以制造氨肥料,可以利用氢气做很多事情,而如果要分解水制氢,就需要一种更便宜的催化剂。”
 
       Peterson表示,要设计新型催化剂首先需要了解是什么让铂在此种反应中如此特别,这也正是该项新研究的目的所在。
 
       长期以来,铂作为催化剂用于分解水制氢如此成功因为其具备“金发女孩”准则(刚刚好就是最适合的)结合能。理想的催化剂需要在反应中,让分子既不要太松散,也不要太紧凑,而是刚刚适中。将分子结合得太松,会很难让反应开始;如果太紧,分子又会粘在催化剂表面,使反应难以完成。氢的结合能在铂中恰好能够完美的平衡水分解反应的两个部分,因此大多数科学家认为这就是铂是很好的催化剂的原因。
 
       但是Peterson表示,有理由质疑是否此种说法正确。例如,有一种称为二硫化钼(MoS2)的物质具有与铂类似的结合能,但是,在水分解反应中,催化作用比铂差得多。因此,表明结合能并不是全部原因。
 
       为了弄清楚发生了什么,Peterson与同事研究了铂催化剂在水分解反应中的表现,他们研发了一种特殊的方法,以模拟单个原子和电子在电化学反应中的行为。
 
       分析表明,当反应速率较高时,具备“金发女孩”准则结合能的铂,在其表面结合的氢原子实际上根本不参与反应。相反,此类原子栖息在铂的表面晶体层中,而且也是惰性的旁观者(不参与反应)。参与该反应的氢原子与假定的 “金发女孩”准则结合能相比,能量要弱得多。此类氢原子不栖息在晶格中,而是坐落在铂原子之上,可以自由相遇,形成氢气。
 
       研究人员得出的结论是,正是铂表面的氢原子的自由移动才让铂具有如此高的活性。
 
       Peterson表示:“这告诉我们,寻找 “金发女孩”准则结合能并不是正确的设计高活性区域的原则,我们建议设计一种催化剂,能够让氢处于高度流动和活性的状态。”
 
       布朗大学Peterson实验室专门使用计算机模拟来设计新型催化剂,该团队计划利用新发现,开始寻找铂的替代品。
 
(责任编辑:子蕊)
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