芬蘭大學研發(fā)新型催化劑可提升制氫燃料效率 用于汽車/發(fā)電等

便宜高效的燃料電池和電解裝置都是氫燃料經(jīng)濟的基石，而氫燃料是最有發(fā)展前景的清潔可持續(xù)能源，可以替代化石燃料。不過，此類設備需要依賴電催化劑材料來工作，因此研發(fā)高效、低成本的催化劑對于讓氫燃料成為一種可行的替代品至關(guān)重要。據(jù)外媒報道，芬蘭阿爾托大學（Aalto university）的研究人員就研發(fā)了一種新型催化劑材料，可以改善此類技術(shù)。

氧還原反應（ORR）和析氧反應（OER）是最重要的電化學反應，會影響到氫燃料電池（用于車輛和發(fā)電）、水電解槽（用于清潔制氫）和大容量金屬空氣電池的效率。阿爾托大學的物理學家和化學家與法國國家科學研究中心（CNRS France）以及奧地利維也納的研究人員合作，研發(fā)了一款新型催化劑，與目前所用的雙功能催化劑相比，能夠更高效地驅(qū)動此類化學反應。研究人員還發(fā)現(xiàn)，可以大幅改變新型催化劑的電催化活性，主要取決于選擇讓該催化劑沉積在何種材料上。

阿爾托大學的Mohammad Tavakkoli博士表示：“我們想用地球上儲量豐富且便宜的碳和氮等過渡金屬制成高活性且穩(wěn)定的替代催化劑，以取代基于鉑和銥等貴金屬打造的昂貴且稀有的催化劑。”

在與CNRS的合作中，該團隊打造了一種多孔石墨烯碳納米管混合物，并將其與其他已知元素的單原子混合在一起，以制造良好性能的催化劑。石墨烯和碳納米管（CNT）都只有一個原子的厚度，分別是二維和一維碳的同素異形體。由于與傳統(tǒng)材料相比，性能優(yōu)異，因此學術(shù)界和工業(yè)界都對CNT有極大的興趣。

采用一步法工藝，研究人員將石墨烯與氮和/或金屬（鈷和鉬）單原子摻雜在一起，以生產(chǎn)單原子催化劑（SAC）。在催化科學中，SAC具備分散的金屬原子分散在固體載體上，而且因為原子利用效率高以及具備獨特性質(zhì)，引起了廣泛的關(guān)注。與競爭對手制造SAC的方法相比，Aalto & CNRS團隊的方法簡單易行，只需一步即可完成，因此可降低成本。

催化劑通常沉積在基底上，此類基底對催化劑最終反應活性的作用通常被研究人員所忽略，不過，在新型催化劑上，研究人員發(fā)現(xiàn)基底在確保催化劑的效率方面發(fā)揮重要作用。該團隊發(fā)現(xiàn)，此種材料的多孔結(jié)構(gòu)能夠使其接觸到更多催化劑活性位點，此類活性位點在催化劑與基底的臨界面產(chǎn)生，因此，研究人員研發(fā)了一種新型電化學顯微鏡分析法，測量該界面如何幫助催化反應，以及產(chǎn)生更高效的催化劑。他們希望研究基底對多孔材料催化活性的影響，為合理設計電化學能量設備的高性能電極奠定基礎(chǔ)，并為今后的研究提供指導。