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氫氣是一種可持續(xù)性的清潔能源，不排放有毒氣體，并可為交通、發(fā)電、金屬制造等多個行業(yè)增加價值。存儲和運(yùn)輸氫氣的技術(shù)彌合了可持續(xù)能源生產(chǎn)與燃料使用之間的鴻溝，效率更高的氫氣輸送系統(tǒng)能夠?yàn)楣潭娫?、移動電源、移動汽車等?yīng)用帶來很多好處，因此也成為了氫經(jīng)濟(jì)中不可或缺的部分。但是，傳統(tǒng)的儲氫與運(yùn)輸氫氣的技術(shù)非常昂貴，且容易使氫氣被污染。因此，研究人員一直在尋找可靠、低成本且簡單的替代技術(shù)。
氮化硼2D基底（圖片來源：勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室）
據(jù)外媒報道，美國勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室（Lawrence Berkeley National Laboratory）的一組研究人員設(shè)計(jì)并合成了一種高效的材料，可以加速從醇中提取氫。該材料是一種催化劑，由固定在2D基底上的微小鎳金屬簇構(gòu)成。該研究小組發(fā)現(xiàn)，此種催化劑可以高效地加速從液體化學(xué)載體中移除氫原子的反應(yīng)，而且該材料非常堅(jiān)固，由儲量豐富的金屬，而不是由現(xiàn)有的貴金屬制成，將能夠有助于使氫成為各種應(yīng)用的能源。
此類作為催化劑的化合物通常用于加速化學(xué)反應(yīng)的速率，而化合物自身并不會被消耗，而是能夠?qū)⒁粋€特定的分子保持在一個穩(wěn)定的位置，或者充當(dāng)一個中介，讓某個重要的化學(xué)步驟能夠順利完成。至于能夠從液體載體產(chǎn)生氫氣的化學(xué)反應(yīng)而言，最高效的催化劑一般都由昂貴金屬制成。不過，此類催化劑通常成本高、儲量不豐富，而且容易被污染。而由普通金屬制成的較便宜的催化劑往往效率較低且穩(wěn)定性較差，活性受到限制，也限制其在制氫工業(yè)中得到實(shí)際應(yīng)用。
為了改進(jìn)此類由儲量豐富的金屬制成的催化劑，研究人員改變了策略，專注于微小、均勻的鎳金屬簇。此類金屬簇非常重要，能夠讓一定量的材料最大限度地暴露活性表面。但是，金屬簇也容易聚集在一起，導(dǎo)致反應(yīng)能力受限。
研究人員設(shè)計(jì)并進(jìn)行了一次實(shí)驗(yàn)，通過將1.5納米大小的鎳簇沉積在2D基底上，防止金屬簇聚集在一起。該2D基底由硼和氮制成的，被設(shè)計(jì)成原子大小、有凹槽的網(wǎng)格狀。鎳簇會均勻且牢牢地固定在凹槽中。此種設(shè)計(jì)不僅可以防止金屬簇聚集，而通過直接與鎳金屬簇互動，催化劑的熱化學(xué)性能也能得到大大提升，從而提升其整體性能。
研究人員利用詳細(xì)的X射線和光譜測量結(jié)果，結(jié)合理論計(jì)算，揭示了表面下的很多情況以及此類情況在催化反應(yīng)中的作用。伯克利實(shí)驗(yàn)室采用先進(jìn)光子源的工具和計(jì)算建模法，在微小鎳金屬簇在該2D基底上形成與沉積時，識別出該2D基底的物理與化學(xué)特性的變化。該研究小組提出，在金屬簇占據(jù)基底原有區(qū)域并跟附近的邊緣互動時，該材料就形成了，從而能夠保留金屬簇的微小尺寸。此種微小且穩(wěn)定的金屬簇促進(jìn)了氫從液體載體中的分離，使該催化劑具有優(yōu)異的分離性、生產(chǎn)率以及穩(wěn)定性。
計(jì)算表明，該催化劑的尺寸使其能夠比其他性能最佳的催化劑更具活性。研究人員利用模型和計(jì)算法揭示了該微小金屬簇獨(dú)特的幾何與電子結(jié)構(gòu)。大量裸露的金屬原子聚集在此類微小的團(tuán)簇上，比較大尺寸的金屬粒子更能吸引氫氣載體。此類暴露在外的原子還能夠減緩氫氣從載體中剝離的步驟，同時防止可能堵塞團(tuán)簇表面的污染物的形成。因此，該材料在制氫反應(yīng)的關(guān)鍵步驟中可以保持不被污染。此類催化和抗污染的性能被特意引入該2D基底，最終導(dǎo)致該團(tuán)簇能夠保持較小尺寸。
在此次研究中，研究人員成功打造較便宜、容易獲取以及穩(wěn)定的材料，可幫助從液體載體中剝離氫氣，使氫氣能夠用作一種燃料。該項(xiàng)研究基于美國能源部的計(jì)劃，該計(jì)劃旨在研究能夠滿足能源效率與可再生能源（EERE）氫氣與燃料電池辦公室對儲氫材料的要求，并優(yōu)化未來要用于車輛的材料。
未來，伯克利實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步完善策略，以改變2D基底，使其能夠?yàn)槲⑿〉慕饘俅靥峁┲С?，從而研發(fā)出更高效的催化劑。該技術(shù)有助于優(yōu)化從液體化學(xué)載體中提取氫氣的工藝。
