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新型碳納米管催化劑有望大幅降低氫能源生產(chǎn)成本

作者：中國科學(xué)院成都有機化學(xué)有限公司來源：http://m.chun-tian.cn 日期：2016-06-23 13:44:29

眾所周知氫元素在宇宙中蘊含量十分豐富，而且其反應(yīng)產(chǎn)物水讓它成為最清潔的能源。但是生產(chǎn)高質(zhì)量的氫能電池不僅成本昂貴，轉(zhuǎn)換效率也很難達(dá)標(biāo)。通常，提取氫的投入已經(jīng)超過氫氣產(chǎn)生的收益了。為了減少地球?qū)剂系囊蕾嚕藗冋谂ふ业蛢r有效的儲氫方式建設(shè)可持續(xù)發(fā)展的氫能經(jīng)濟，這顯然還有很長一段路要走。

蘇博是康涅狄格大學(xué)特聘化學(xué)教授、校董事會主席同時也是材料系系主任，他說道：“新材料看起來很有希望。目前的結(jié)果顯示，這種材料特性優(yōu)于最新發(fā)表的其他新材料，而且尤其適合我們想要達(dá)成的化學(xué)反應(yīng)。”

現(xiàn)階段的一種制氫技術(shù)是采用強熱加熱原油中的碳?xì)浠衔锓蛛x氫氣。得到的氫氣往往純度不高，副產(chǎn)物需要進一步過濾。

另一種方法是分離出水中氫，這種方法看起來似乎更清潔更可持續(xù)發(fā)展，但是它仍有諸多局限。電化學(xué)催化需要鉑、銥這樣的稀土金屬作為催化劑。高昂的價格讓提取純氫的商業(yè)化止步不前。因此科學(xué)家們一直在致力尋找跟稀土金屬擁有一樣穩(wěn)定催化效果的非金屬催化劑。

作為電化學(xué)領(lǐng)域的專家，蘇博和魯斯林都知道，填充的碳納米管是潛在有效的氧氣還原反應(yīng)的催化劑。氧氣還原反應(yīng)（Oxygen Reduction Reaction）簡稱ORR，是氧氣氫氣結(jié)合生成水反應(yīng)的一部分。這個反應(yīng)也是氫電池的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。氫氣穿過催化劑（比如耐腐蝕的金屬鉑）導(dǎo)致氧氣發(fā)生電化學(xué)還原反應(yīng)產(chǎn)生能量，和副產(chǎn)物水。

該反應(yīng)的逆反應(yīng)-從水生成純氫的過程，又稱為析氧反應(yīng)，在電化學(xué)方面則面臨更多的挑戰(zhàn)。蘇博領(lǐng)導(dǎo)的博士生團隊想要攻克這個難題。蘇博強調(diào)技術(shù)關(guān)鍵在于精確控制碳、硫原子在納米管內(nèi)形成穩(wěn)定的化學(xué)鍵的同時，提高納米管的電化學(xué)勢，以達(dá)到與稀土金屬相同的水平。

“如果想要實現(xiàn)氫能經(jīng)濟，就得找到新材料，以取代昂貴稀土金屬的催化作用，”蘇博說道，“更大的挑戰(zhàn)是這個新材料不僅便宜，穩(wěn)定耐久還必須能達(dá)到工業(yè)級別的生產(chǎn)水平。”

蘇博和魯斯林在實驗室中采用硫單質(zhì)和二芐基二硫醚高溫雙重參雜的處理方法。研究人員必須精確添加少量硫雜環(huán)原子，以保證最終產(chǎn)物功能性穩(wěn)定性的微妙平衡。過量的硫會導(dǎo)致產(chǎn)物不夠穩(wěn)定，過少的硫則會影響催化劑的有效性。

蘇博認(rèn)為，大體上水中分離出氫氣的過程和分離混合均勻的沙和面粉差不多。最終摻雜硫的碳納米管在整個電化學(xué)反應(yīng)中消耗更少能量，也比其他催化劑更加活躍有效。

更重要的是，蘇博指出，硫填充的碳納米管在分離氫氣和還原氧氣反應(yīng)中都十分有效，很少有材料對正逆化學(xué)反應(yīng)具有雙向催化作用。“我十分的驚喜，我們已經(jīng)預(yù)料到新材料能夠成功，實際上新材料的結(jié)果超乎想象。”蘇博的興奮溢于言表。

蘇博說道，新材料的成功離不開康涅狄格大學(xué)生物科技電子顯微實驗室提供的儀器支持，和FEI公司高級顯微中心的材料分析、測試、表征。

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