科学家制造并测试理论预测的高效水分解催化剂

Josiah

　　氢气 (H 2 ) 是一种很有前途的减少温室气体的燃料，尤其是利用可再生能源分解水分子 (H 2 O) 来生产。但将水分解成氢和氧看似简单，但其化学过程却很复杂。
　　两个独立的同时发生的电化学反应都需要催化剂，即帮助打破和重建化学键的化学“交易者”。现在，美国能源部 (DOE) 布鲁克海文国家实验室和哥伦比亚大学的科学家表示，他们已经开发出一种新的高效催化剂，用于更具挑战性的部分：氧气释放反应。
　　正如刚刚发表在《美国化学会志》上的一篇论文所述，该催化剂是根据理论计算“自下而上”设计的，旨在尽量减少用作催化材料的昂贵金属铱的用量，并最大限度地提高催化剂在酸性条件下的稳定性。
　　当团队创建催化剂模型并在实验室中测试它们时，结果证实了预测。然后，科学家们制作了粉末状的催化剂，就像工业应用中使用的催化剂一样，并证明它可以在水分解电解器中有效地产生氢气。
　　“在这次实际测试中，我们的催化剂比最先进的商用铱催化剂好四倍，”哥伦比亚大学化学工程师、布鲁克海文实验室化学部联合任职、这项研究的负责人陈景光说。换句话说，新催化剂在以与商用催化剂相同的速度生产氢气时，所需的铱量是商用催化剂的四分之一，或者说，在相同数量的铱下，生产氢气的速度是商用催化剂的四倍。
　　布鲁克海文实验室理论化学家刘平领导了该催化剂设计的基础计算，他说：“这项研究展示了如何从理论驱动的对原子层面发生的事情的理解转向设计一种实际使用的催化剂。我们的工作让我们更好地理解了这种催化剂的工作原理，并让我们更接近现实世界的应用。”
　　剩下的挑战是扩大生产规模。
　　“我们每批只生产几毫克的催化剂，”陈说。“如果你想生产几百万吨的绿色氢气，你需要几公斤或几吨的催化剂。我们目前还不能大规模生产。”
　　减少铱
　　铱是氧气析出反应的首选催化剂，该反应发生在电解器的阳极。它提供带电活性位点，将紧密结合的氢离子 (H + ) 与氧气 (O) 分开。除了释放 H +离子（这会导致严酷的酸性反应条件）外，该反应还会产生氧气 (O 2 ) 和电子。这些电子是第二个不太困难的“氢气析出”反应所必需的：氢离子配对，在电解器的阴极形成氢气。
　　陈说：“铱是目前唯一能在酸中稳定发生氧气释放反应的元素之一。”他指出，这很“不幸”，因为“铱比铂更稀有，也更昂贵。”
　　因此，减少铱的用量是有动机的。
　　陈说：“在由纳米级粒子制成的工业催化剂中，只有表面的原子参与反应。这意味着粒子内部的大部分铱都被浪费了。”
　　研究小组推断，也许不用全铱粒子，而是可以用一种更便宜的材料制成催化剂，而铱只在表面。
　　该团队一直在探索钛等地球上储量丰富的元素的用途。他们发现，将钛与氮结合可以为这些“氮化钛”提供足够的稳定性，使其能够在酸性反应条件下生存。也许氮化钛可以作为铱涂层催化颗粒的核心。
　　但顶层应该铺多少铱呢？这就是理论计算的用武之地。
　　计算理想结构
　　刘说：“我们利用‘密度泛函理论’计算来模拟在酸性氧释放反应条件下，氮化钛上不同的铱覆盖层如何影响催化剂的稳定性和活性。”她和她的团队利用布鲁克海文实验室功能纳米材料中心 (CFN) 和美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室国家能源研究科学计算中心 (NERSC) 的计算资源来运行模拟。
　　计算预测一层铱不足以驱动氧气释放反应，但两层或三层将提高性能和催化稳定性。
　　“这些是预筛选实验，”刘说。“然后，我们将这些筛选结果交给实验团队，以制造真正的催化剂并评估其催化活性。”
　　验证预测
　　首先，该团队制作了薄膜，在薄膜中他们可以创建精确控制的层，这些层与理论建模计算中使用的表面非常相似。他们还制作了由纳米级小颗粒组成的粉末样品，这是催化剂在工业应用中的形式。然后，他们使用各种技术研究了薄膜（包括层之间的界面）和纳米颗粒。
　　这些研究包括在 CFN 进行的透射电子显微镜研究，以及在国家同步加速器光源 II (NSLS-II) 的快速 X 射线吸收和散射 (QAS) 光束线进行的 X 射线光谱研究，NSLS-II 是一种用于揭示样品化学和物理特性的明亮 X 射线源。
　　“我们的假设是，如果铱与氮化钛结合，这种结合将稳定铱并改善反应，”陈说。
　　特性研究证实了这些预测。
　　陈说：“同步加速器研究揭示了反应条件下铱和钛原子的氧化状态和局部配位环境。他们证实了铱和钛之间存在强烈的相互作用。”
　　他补充道：“对 CFN 纳米粒子的元素进行绘图证实了粒子的大小和成分，包括氮化钛载体表面存在氧化铱。”
　　刘强调，表征研究加深了科学家对催化剂的了解。
　　“我们发现铱和钛之间的相互作用不仅有助于催化剂的稳定性，而且还有助于微调其活性，”她说。“电荷改变了化学性质，从而改善了反应。”
　　具体来说，从钛转移到铱表面的电荷会改变铱活性位点的电子结构，从而优化反应中间体的结合，她解释说。
　　刘指出：“从一层铱到三层，可以显著增加从氮化物到顶层铱的电荷转移。”但两层和三层之间的差异并不大。两层可能足以实现高稳定性、高活性和低成本。
　　为了使这种催化剂能够投入实际使用，科学家指出，除了应对扩大生产的挑战之外，还可以进行改进以优化粉末的一致性。
　　“当我们制作薄膜时，我们可以控制层数，但对于粉末合成，我们没有那种控制能力，”陈说。“我们的粉末颗粒周围没有连续的铱壳。但这项研究为工业化学家提供了指导方针，他们可以使用这种指导方针来制造具有均匀薄层铱的真正核壳结构，”他说。
　　这种催化剂有助于降低水分解的成本，并使科学家更接近生产大量绿色氢。