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中国科大设计出遍布针尖的“松球结构”催化剂

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  • 时间:2019-06-10
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  中国科学技术大学宋礼教授和江俊教授课题组合作,巧妙设计铂原子催化剂结构,使得电解溶液通过表面布满针尖的催化剂“松球”时,产氢效率大大提高。(李进制图)


  电解水制氢由于零污染、零排放的优势受到越来越多研究者的注意。作为其中关键的一环,各种新型催化材料也层出不穷。近日,记者从中国科学技术大学获悉,该校宋礼教授和江俊教授合作,利用催化效果最好的铂金属巧妙设计了遍布针尖的“松球结构”催化剂,在保持催化制氢效果不变的情况下,与商业铂碳催化剂相比,铂金属的用量仅有原来的七十五分之一,大大降低了催化剂的成本。

  传统催化剂的催化过程一般都发生在催化剂的表面,且参与反应的是单个或近邻的几个原子。那么按照传统方式制造的铂催化剂,表层的铂原子忙得不亦乐乎,内层的铂原子却只能无所事事地干瞪眼。怎样让催化剂中的铂原子不吃大锅饭,每个都动起来呢?

  宋礼教授课题组想到了一个好办法,能够最大化地使铂原子处于催化剂的表面。首先,相对于之前的研究,他们选择了单位质量下拥有最大表面的球形,将之前扁平的催化剂都做成一颗颗“球”,将以前局限在二维平面的反应改造成了三维立体的反应。曾经的一间小平房被改造成了一个球形小高层,可容纳的人数——也就是可以发生反应的场地——大大增加了。同时,每个铂原子都位于球形的表面,保证了它们都在“生产一线”。这样催化剂形成了一个表面满是针尖的“球”,每个针尖都是一个单原子铂,没有“人”可以“躲”在后面偷懒。江俊教授说:“这个设计还带来一个惊喜的附加效果,理论模拟发现,弯曲的球面会在尖端铂原子处形成非常强的局域电场,相当于给铂原子脚上加了一个加速履带,可以进一步增强催化效率。”

  最后测试结果表明,当电解溶液中的反应物通过一颗颗的表面遍布针尖的“松球”时,形成氢气的速率大大增加。宋礼教授说:“在产氢量相同的情况下,我们设计的催化剂只需要一份铂,而传统商业铂碳催化剂则需要七八十份的铂,这在很大程度上降低了催化剂的成本。”

  铂金属在电化学制氢反应中拥有很重要的地位,该项工作最大限度地减少铂用量但并未影响制氢反应催化效果,有望实现规模化应用;同时深入理解了催化剂效果与结构之间的联系,为进一步优化催化剂的性能指明了方向。(来源: 中安在线记者 聂静洁 通讯员 范琼)
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