在許多人看來，氫有希望成為取代化石燃料的能源。然而，傳統(tǒng)生產(chǎn)純氫的方式因面臨著諸多問題而束縛了氫能的潛力，這些問題包括，生產(chǎn)氫時會產(chǎn)生大量的二氧化碳，并且需要白金等稀少且昂貴的化學(xué)物質(zhì)。
  如今上述情況或許即將發(fā)生根本改變，其原因是美能源部布魯克海文實(shí)驗室的科學(xué)家通過研究，開發(fā)出了新的用于電解水的電催化劑。它采用相對廉價的材料解決了從清潔水中獲取氫氣的問題之。他們研發(fā)的鎳鉬氮化物催化劑為納米片狀結(jié)構(gòu)，開啟了新的有氫催化模式。
  1、傳統(tǒng)催化劑過于昂貴
  水是生產(chǎn)純氫的理想資源，它不僅儲量豐富，而且在生產(chǎn)氫的過程中不會排放溫室應(yīng)氣體。然而，電解水產(chǎn)出氫和氧的過程需要外加電能和有破壞水分子化學(xué)鍵的催化劑。通常，人們在獲得氫氣的同時，希望外加的用于幫助電化學(xué)反應(yīng)的能量盡可能地少。

  對于能促進(jìn)電解水率的催化劑而言，它必須同時具有經(jīng)久耐用、活性高和表面積大的點(diǎn)。構(gòu)成催化劑的元素與氫的親和力的強(qiáng)弱決定了電解水反應(yīng)的能力：親和力太弱，反應(yīng)則無法進(jìn)行；親和力太強(qiáng)，起始活性將使催化劑中毒。

  在過去的實(shí)踐中，人們認(rèn)識到白金電催化方法分解水生產(chǎn)氫具有相當(dāng)高的率。但是，令人遺憾的是白金催化劑的成本在不斷上升，白金（現(xiàn)在的價格在1千克5萬美元左右）和其他貴重金屬的高價讓投資者駐足觀望。布魯克海文實(shí)驗室研究項目負(fù)責(zé)人詹姆斯·穆克爾曼說，人們偏愛白金，然而球有限的供應(yīng)不僅導(dǎo)致白金價格上漲，同時讓人們懷疑它的長久性，也許它不能足以支持球氫經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。
  穆克爾曼表示，開始時，他們的目標(biāo)是將種與氫的親和力很弱的非貴重金屬與另外種與氫的親和力很強(qiáng)的非貴重金屬混合，獲得活性高且穩(wěn)定的催化劑，并將目光鎖定在儲量豐富且價格便宜的金屬鎳和鉬上。按照目前的市場行情，鎳和鉬每千克的價格分別為20美元和32美元。兩者組合起來后，價格要比白金的價格低1000倍。當(dāng)然，對于能源催化劑來說，人們常常更多考慮的是性能而不是價格。
  2、新型催化劑模式探索
  在新研發(fā)的催化劑中，鎳取代了白金在反應(yīng)中的位置，但是它本身的電子密度卻無法同白金相比。為彌補(bǔ)鎳自身的不足，于是科學(xué)家借助鉬來增強(qiáng)鎳的反應(yīng)能力。雖然此方法有，但是仍然無法與白金相媲美。
  研究論文作者陳偉賦（音譯）介紹說，為進(jìn)步提高催化性能，他們引入了3個元素氮來改變鎳和鉬的電子態(tài)。氮早已用于疏松材料或尺寸大于1微米的物質(zhì)中，但是用在納米尺寸的材料中卻具有較大的難度。起初，科學(xué)家期望用氮來改變鎳鉬的結(jié)構(gòu)，形成不連續(xù)的類球體納米粒子。但有趣的是，在研發(fā)過程中，他們卻有新的發(fā)現(xiàn)。
  在高溫氨環(huán)境中，向鎳鉬復(fù)合物注入氮，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)鎳鉬氮出乎意外地形成了具有大反應(yīng)面積的二維納米薄片。借助布魯克海文實(shí)驗室凝聚物理學(xué)和材料學(xué)分部的高分辨率通光顯微鏡以及同步輻射光源X光探測儀，科學(xué)家搞清楚了新材料的二維結(jié)構(gòu)以及電子排布。陳偉賦表示，這是人們獲得納米薄片金屬氮化物，氮的引入導(dǎo)致鎳鉬復(fù)合物發(fā)生了巨大的變化，它擴(kuò)展了鎳鉬合金的晶格，提高了電子密度，讓電子結(jié)構(gòu)近似于貴金屬，同時能防止腐蝕。
  科學(xué)家新開發(fā)的催化劑的性能與白金催化劑的相近，具有任何其他非貴重金屬復(fù)合物所無法比擬的電催化活性和穩(wěn)定性。穆克爾曼表示，新催化劑生產(chǎn)工藝既簡單又能規(guī)?；瑥亩勺屾囥f氮化物有足夠的能力滿足工業(yè)應(yīng)用的需要。
  研究項目的構(gòu)思者、布魯克海文實(shí)驗室化學(xué)家孝太郎·佐佐木表示，他們初希望設(shè)計出種活性高且價格低的催化劑，有能力產(chǎn)生足夠的氫氣作為高密度和清潔的能源。新催化劑的實(shí)際性能超過了他們的期望。
  雖然脫硫催化劑并不意味著生產(chǎn)廉價氫能的所有問題得到了完解決，但是它的確大幅度降低了電解水主要設(shè)備的成本?？茖W(xué)家強(qiáng)調(diào)他們的突破源于基礎(chǔ)知識的探索，這種途徑有望改變整個研究進(jìn)程，其提出的新模式將引導(dǎo)未來的研究。

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