無需金屬 新型催化劑幫助氫燃料電池更廉價 更輕量

材料牛注：康涅狄格大學的Steven Suib 和James Rusling教授的團隊開發出一種新催化劑，使生產氫的商業化成為可能，成為新一代價廉、輕量化氫燃料電池的關鍵元素。這種新型無金屬催化劑采用碳納米管注入硫，具有稀土金屬的電化學性質，硫注入碳納米管對于從水中分離氫和降低水中的氧這兩個過程都是十分有效，這些雙重屬性的材料是罕見的。

康涅狄格大學的Steven Suib 和James Rusling教授的團隊開發出一種新材料，使生產氫的商業化成為可能，成為新一代價廉、輕量化氫燃料電池的關鍵元素。

新型無金屬催化劑采用碳納米管注入硫。

氫是宇宙中最多的元素，也是清潔能源的理想來源。但獲得高純氫成本高、耗能大。所以把精力放在提取氫上不如放在生產氫氣上，找到一種廉價、高效生產氫的方法，將會開創可持續氫經濟體，減少世界對化石能源的依賴。

目前的氫生產是從原油的碳氫化合物中分離出氫，但它需要巨大的熱量，最終獲得氫純度并不理想，也沒有相應的副產品。

另一種生產氫的辦法，提取水中的氫就更清潔、更可持續了，但也受到很多限制。在這個過程中所涉及的催化劑通常用到稀土金屬如鉑和銥，但這些稀土金屬價格昂貴，使純凈氫的商業化困難重重。

找到一種生產成本低、具有所有的稀土金屬的電化學性質的非金屬催化劑，一直是科學家們近些年研究的目標。

Suib 和Rusling教授發現硫注入碳石墨納米管是一種氧還原反應潛在的有效的非金屬催化劑。當氫和氧分子轉化為水的時候，氧化還原反應發生了。這種反應是氫基燃料電池的關鍵組成。氫氣通過催化劑金屬鉑發生氧化還原反應，反應會產生能量和副產品：水。

但氧化還原反應的逆過程——從水中提取氫，在電化學上仍然很難。Suib 和Rusling的團隊決定試一試。

Suib 指出，這個逆反應的關鍵是在納米管內控制硫原子和碳原子創造更穩定的結構，同時維持納米管的電化學電位。

Suib說：“如果你將要制造一個氫經濟體，你需要有一個新的材料來做同樣的事情，就像極其昂貴的稀土金屬，但是你如何獲得便宜、耐用、穩定，足以達到行業水平的產品？這正是我們面臨的挑戰”。

開發過程中， Suib和Rusling的實驗室采用了涉及硫和二芐基二硫在高溫熱處理的雙摻雜過程。研究人員必須仔細地在極低的水平上保持可用性和穩定性的微妙平衡。硫過多，樣品將會變得不穩定，硫過少，樣品又無效。

Suib指出用一種普通的方法從水中分離出氫，就像從面粉和沙子的混合物中分離出面粉。

最終， Suib說，硫摻雜的碳納米管在化學反應過程中使用的能量比其他已知的要少得多，并且其催化效果比其他已知的產品更為有效。

最重要的是， Suib指出，硫注入碳納米管對于從水中分離氫和降低水中的氧這兩個過程都是十分有效，這些雙重屬性的材料是罕見的。

論文地址：Controlling the Active Sites of Sulfur-Doped Carbon Nanotube–Graphene Nanolobes for Highly Efficient Oxygen Evolution and Reduction Catalysis

原文參考地址：New Catalyst Found for Clean Energy Fuel

感謝材料人編輯部鋼鐵俠提供素材。