在許多人看來(lái)，氫有希望成為取代化石燃料的能源。然而，傳統生產(chǎn)純氫的方式因面臨著(zhù)諸多問(wèn)題而束縛了氫能的潛力，這些問(wèn)題包括，生產(chǎn)氫時(shí)會(huì )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(guò)研究，開(kāi)發(fā)出了新的用于電解水的電催化劑。它采用相對廉價(jià)的材料解決了從清潔水中獲取氫氣的問(wèn)題之。他們研發(fā)的鎳鉬氮化物催化劑為納米片狀結構，開(kāi)啟了新的有氫催化模式。
  1、傳統催化劑過(guò)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(guò)程中不會(huì )排放溫室應氣體。然而，電解水產(chǎn)出氫和氧的過(guò)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(shí)，希望外加的用于幫助電化學(xué)反應的能量盡可能地少。

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

  在過(guò)去的實(shí)踐中，人們認識到白金電催化方法分解水生產(chǎn)氫具有相當高的率。但是，令人遺憾的是白金催化劑的成本在不斷上升，白金（現在的價(jià)格在1千克5萬(wàn)美元左右）和其他貴重金屬的高價(jià)讓投資者駐足觀(guān)望。布魯克海文實(shí)驗室研究項目負責人詹姆斯·穆克爾曼說(shuō)，人們偏愛(ài)白金，然而球有限的供應不僅導致白金價(jià)格上漲，同時(shí)讓人們懷疑它的長(cháng)久性，也許它不能足以支持球氫經(jīng)濟的發(fā)展。
  穆克爾曼表示，開(kāi)始時(shí)，他們的目標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的非貴重金屬混合，獲得活性高且穩定的催化劑，并將目光鎖定在儲量豐富且價(jià)格便宜的金屬鎳和鉬上。按照目前的市場(chǎng)行情，鎳和鉬每千克的價(jià)格分別為20美元和32美元。兩者組合起來(lái)后，價(jià)格要比白金的價(jià)格低1000倍。當然，對于能源催化劑來(lái)說(shuō)，人們常常更多考慮的是性能而不是價(jià)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中的位置，但是它本身的電子密度卻無(wú)法同白金相比。為彌補鎳自身的不足，于是科學(xué)家借助鉬來(lái)增強鎳的反應能力。雖然此方法有，但是仍然無(wú)法與白金相媲美。
  研究論文作者陳偉賦（音譯）介紹說(shuō)，為進(jìn)步提高催化性能，他們引入了3個(gè)元素氮來(lái)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(lái)改變鎳鉬的結構，形成不連續的類(lèi)球體納米粒子。但有趣的是，在研發(fā)過(guò)程中，他們卻有新的發(fā)現。
  在高溫氨環(huán)境中，向鎳鉬復合物注入氮，科學(xué)家發(fā)現鎳鉬氮出乎意外地形成了具有大反應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構以及電子排布。陳偉賦表示，這是人們獲得納米薄片金屬氮化物，氮的引入導致鎳鉬復合物發(fā)生了巨大的變化，它擴展了鎳鉬合金的晶格，提高了電子密度，讓電子結構近似于貴金屬，同時(shí)能防止腐蝕。
  科學(xué)家新開(kāi)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合物所無(wú)法比擬的電催化活性和穩定性。穆克爾曼表示，新催化劑生產(chǎn)工藝既簡(jiǎn)單又能規?；?，從而可讓鎳鉬氮化物有足夠的能力滿(mǎn)足工業(yè)應用的需要。
  研究項目的構思者、布魯克海文實(shí)驗室化學(xué)家孝太郎·佐佐木表示，他們初希望設計出種活性高且價(jià)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(guò)了他們的期望。
  雖然脫硫催化劑并不意味著(zhù)生產(chǎn)廉價(jià)氫能的所有問(wèn)題得到了完解決，但是它的確大幅度降低了電解水主要設備的成本?？茖W(xué)家強調他們的突破源于基礎知識的探索，這種途徑有望改變整個(gè)研究進(jìn)程，其提出的新模式將引導未來(lái)的研究。

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