新型纳米材料支持高效稳定的甲醇制氢

劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)Molecular Foundry的研究人员领导的一个团队设计并合成了沉积在富含缺陷的BN纳米片(Ni / BN)催化剂上的超小型镍纳米团簇(1.5nm以下),新型纳米材料支持高效稳定的甲醇制氢,该催化剂具有出色的甲醇脱氢活性和选择性。

《美国国家科学院院刊》(PNAS)上发表的开放获取论文中,研究人员报告说,该催化剂可以干净有效地加速从液态化学载体(例如甲醇)中除去氢原子的反应。这种材料坚固耐用,由地球上丰富的金属制成,而不是由贵金属制成的,并且可以帮助使氢成为广泛应用中的可行能源。

该研究是氢材料高级研究联盟(HyMARC)的一部分,该联盟由美国能源部能源效率和可再生能源氢和燃料电池技术办公室(EERE)资助。通过这一努力,五个国家实验室致力于解决阻碍固体储氢材料发展的科学空白。这项工作的成果将直接投入到EERE的H2@Scale愿景中,以实现经济中多个部门负担得起的氢气生产、储存、分配和利用。

用作催化剂的化学化合物(例如Urban和他的团队开发的一种化合物)通常用于提高化学反应的速度,而无需消耗化合物本身。它们可能将特定分子保持在稳定的位置。

对于从液体载体中产生氢气的化学反应,最有效的催化剂是由贵金属制成的。但是,这些催化剂成本高,丰度低,容易受到污染。其他较便宜的催化剂,由较普通的金属制成,往往效率较低,稳定性较差,这就限制了它们的活性及其在制氢工业中的实际应用。

为了提高这些催化剂的性能和稳定性,Urban和他的同事们修改了一种策略,着重于镍金属的细小,均匀团簇。微小簇很重要,因为它们可以在给定量的材料中使反应性表面的暴露最大化。但是它们也倾向于聚集在一起,从而抑制了它们的反应性。

研究团队设计并进行了一项实验,通过将直径为1.5纳米的镍簇沉积到由硼和氮制成的二维基底上,以容纳原子尺度的凹点网格,来对抗团聚。镍簇变得均匀分散,并牢固地固定在凹点中。

这种设计不仅防止结块,而且其热和化学性质通过与镍簇直接相互作用而大大提高了催化剂的整体性能。

新型纳米材料支持高效稳定的甲醇制氢
具有缺陷的2D氮化硼衬底的插图,其中存在微小的镍簇。催化剂有助于从液体化学载体中除去氢的化学反应,使其可用作燃料。

详细的X射线和光谱测量,再加上理论计算,揭示了许多有关底层表面及其在催化中的作用的信息。研究人员使用伯克利实验室的DOE用户设施Advanced Light Source的工具和计算建模方法,确定了二维薄板的物理和化学性质的变化,同时形成并沉积了微小的镍团簇。

该团队提出,材料形成的同时,金属簇占据了片材的原始区域,并与附近的边缘相互作用,从而保留了簇的微小尺寸。微小、稳定的团簇有利于在氢气与其液体载体分离的过程中发挥作用,使催化剂具有优异的选择性、生产率和稳定的性能。

计算表明,催化剂的尺寸是其活性相对于最近报道的其他催化剂而言最好的原因。研究人员使用模型和计算方法来揭示微小金属簇的独特几何和电子结构。

与较大的金属颗粒相比,在这些微小簇上富集的裸金属原子更容易吸引液体载体。这些暴露的原子还简化了从载体上除去氢的化学反应步骤,同时防止了形成可能阻塞团簇表面的污染物。因此,在制氢反应的关键步骤中,该材料保持无污染。这些催化和抗污染的特性来自于特意引入到二维片材中的缺陷,并最终保持团簇尺寸变小。

在他们的催化剂中,研究人员实现了创造一种相对廉价、易得、稳定的材料的目标,这种材料有助于将氢从液体载体中剥离出来,作为燃料使用。这项工作源于能源部开发储氢材料的努力,以满足EERE的氢气和燃料电池技术办公室的目标,并优化材料以备未来用于车辆。

伯克利实验室团队未来的工作将进一步完善以支持微小金属簇的方式修改二维基质的策略,以开发更高效的催化剂。该技术可以帮助优化从液体化学载体中提取氢气的过程。获取更多前沿科技信息访问:https://byteclicks.com

Molecular Foundry和Advanced Light Source是伯克利实验室的DOE科学办公室用户设施。这项研究得到了美国能源部科学办公室和EERE的氢与燃料电池技术办公室的支持。

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