芬蘭大學(xué)研發(fā)新型催化劑可提升制氫燃料效率 用于汽車/發(fā)電等

便宜高效的燃料電池和電解裝置都是氫燃料經(jīng)濟(jì)的基石，而氫燃料是最有發(fā)展前景的清潔可持續(xù)能源，可以替代化石燃料。不過，此類設(shè)備需要依賴電催化劑材料來工作，因此研發(fā)高效、低成本的催化劑對(duì)于讓氫燃料成為一種可行的替代品至關(guān)重要。據(jù)外媒報(bào)道，芬蘭阿爾托大學(xué)（Aalto university）的研究人員就研發(fā)了一種新型催化劑材料，可以改善此類技術(shù)。

氧還原反應(yīng)（ORR）和析氧反應(yīng)（OER）是最重要的電化學(xué)反應(yīng)，會(huì)影響到氫燃料電池（用于車輛和發(fā)電）、水電解槽（用于清潔制氫）和大容量金屬空氣電池的效率。阿爾托大學(xué)的物理學(xué)家和化學(xué)家與法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心（CNRS France）以及奧地利維也納的研究人員合作，研發(fā)了一款新型催化劑，與目前所用的雙功能催化劑相比，能夠更高效地驅(qū)動(dòng)此類化學(xué)反應(yīng)。研究人員還發(fā)現(xiàn)，可以大幅改變新型催化劑的電催化活性，主要取決于選擇讓該催化劑沉積在何種材料上。

阿爾托大學(xué)的Mohammad Tavakkoli博士表示：“我們想用地球上儲(chǔ)量豐富且便宜的碳和氮等過渡金屬制成高活性且穩(wěn)定的替代催化劑，以取代基于鉑和銥等貴金屬打造的昂貴且稀有的催化劑。”

在與CNRS的合作中，該團(tuán)隊(duì)打造了一種多孔石墨烯碳納米管混合物，并將其與其他已知元素的單原子混合在一起，以制造良好性能的催化劑。石墨烯和碳納米管（CNT）都只有一個(gè)原子的厚度，分別是二維和一維碳的同素異形體。由于與傳統(tǒng)材料相比，性能優(yōu)異，因此學(xué)術(shù)界和工業(yè)界都對(duì)CNT有極大的興趣。

采用一步法工藝，研究人員將石墨烯與氮和/或金屬（鈷和鉬）單原子摻雜在一起，以生產(chǎn)單原子催化劑（SAC）。在催化科學(xué)中，SAC具備分散的金屬原子分散在固體載體上，而且因?yàn)樵永眯矢咭约熬邆洫?dú)特性質(zhì)，引起了廣泛的關(guān)注。與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手制造SAC的方法相比，Aalto & CNRS團(tuán)隊(duì)的方法簡(jiǎn)單易行，只需一步即可完成，因此可降低成本。

催化劑通常沉積在基底上，此類基底對(duì)催化劑最終反應(yīng)活性的作用通常被研究人員所忽略，不過，在新型催化劑上，研究人員發(fā)現(xiàn)基底在確保催化劑的效率方面發(fā)揮重要作用。該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，此種材料的多孔結(jié)構(gòu)能夠使其接觸到更多催化劑活性位點(diǎn)，此類活性位點(diǎn)在催化劑與基底的臨界面產(chǎn)生，因此，研究人員研發(fā)了一種新型電化學(xué)顯微鏡分析法，測(cè)量該界面如何幫助催化反應(yīng)，以及產(chǎn)生更高效的催化劑。他們希望研究基底對(duì)多孔材料催化活性的影響，為合理設(shè)計(jì)電化學(xué)能量設(shè)備的高性能電極奠定基礎(chǔ)，并為今后的研究提供指導(dǎo)。