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新催化剂材料可能推动清洁能源革命

廉价,高效的燃料电池和水电解槽将成为氢燃料经济的基石,氢燃料是化石燃料最有希望的清洁和可持续替代品之一。这些设备依靠称为电催化剂的材料来工作,因此开发高效且低成本的催化剂对于使氢燃料成为可行的替代品至关重要。阿尔托大学的研究人员开发了一种新型催化剂材料来改善这些技术。

的氧还原反应(ORR)和析氧反应(OER)是最重要的电化学反应,限制了氢气的燃料电池的效率(用于车辆和动力发电),水的电解(清洁制氢),和高容量金属空气电池。阿尔托(Aalto)的物理学家和化学家与法国CNRS和奥地利维也纳的研究人员合作,开发了一种新型催化剂,该催化剂比现有的其他双功能催化剂更有效地驱动这些反应。研究人员还发现,根据所沉积催化剂的材料选择,可以大大改变其新催化剂的电催化活性。

“我们希望用由过渡金属,碳和氮等廉价和富含地球的元素组成的高活性和稳定的替代品来取代基于贵金属(如铂和铱)的昂贵而稀缺的传统催化剂。” 阿尔托的研究员Mohammad Tavakkoli博士说,他领导了这项工作并撰写了论文。

在电子显微镜下,催化剂中葡萄烯和CNT的板和长管的外观。图片来源:Kimmo Mustonen博士/维也纳大学

该团队与CNRS合作,生产了一种高度多孔的石墨烯-碳纳米管杂化物,并用已知能制成良好催化剂的其他元素的单原子掺杂。石墨烯和碳纳米管(CNT)分别是碳的一原子厚的二维和一维同素异形体,与传统材料相比,石墨烯和碳纳米管因其卓越的性能而在学术界和工业界引起了极大的兴趣。他们开发了一种简单且可扩展的方法来同时生长这些纳米材料,并将其特性组合在一个产品中。“我们是可扩展合成双壁碳纳米管的全球领先团队之一。此处的创新在于修改制造工艺 制备这些独特的样品,” CNRS研究总监Emmanuel Flahut博士说。

在这一一步过程中,他们还可以用氮和/或金属(钴和钼)单原子掺杂石墨烯,作为生产单原子催化剂(SAC)的有前途的策略。在催化科学中,由于分离的金属原子分散在固体载体上的SAC的新领域因其最大的原子利用效率和SAC的独特性能而引起了广泛的研究关注。与制造SAC的竞争对手策略相比,AaltoCNRS团队使用的方法提供了一种简便的方法,该方法只需一步即可完成,从而降低了成本。

催化剂通常沉积在下面的基底上。研究人员通常忽略了该底物在催化剂最终反应性中的作用,但是对于这种新型催化剂,研究人员发现该底物在其效率中起着重要的作用。研究小组发现,其材料的多孔结构可以进入与基材界面形成的更多活性催化剂位点,因此他们开发了一种新的电化学显微镜分析方法,以测量该界面如何有助于催化反应并产生最有效的催化剂。。他们希望他们对基质对多孔材料催化活性的影响的研究为合理设计用于电化学能量装置的高性能电极奠定基础,并为将来的研究提供指导。

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