美國能源部布魯克海文國家實驗室的科學家通過研究，開發出了新的用于電解水的電催化劑。它采用相對廉價的材料解決了從清潔水中獲取氫氣的問題之一。他們研發的鎳鉬氮化物催化劑為納米片狀結構，開啟了新的有效氫催化模式。 　　傳統催化劑過于昂貴 　　水是生產純氫的理想資源，它不僅儲量豐富，而且在生產氫的過程中不會排放溫室效應氣體。然而，電解水產出氫和氧的過程需要外加電能和有效破壞水分子化學鍵的催化劑。通常，人們在獲得氫氣的同時，希望外加的用于幫助電化學反應的能量盡可能地少。 　　對于能促進電解水效率的催化劑而言，它必須同時具有經久耐用、活性極高和表面積大的特點。構成催化劑的元素與氫的親和力的強弱決定了電解水反應的能力：親和力太弱，反應則無法進行；親和力太強，起始活性將使催化劑中毒。 　　在過去的實踐中，人們認識到白金電催化方法分解水生產氫具有相當高的效率。但是，令人遺憾的是白金催化劑的成本在不斷上升，白金（現在的價格在1千克5萬美元左右）和其他貴重金屬的高價讓投資者駐足觀望。布魯克海文國家實驗室研究項目負責人詹姆斯·穆克爾曼說，人們偏愛白金，然而全球有限的供應不僅導致白金價格上漲，同時讓人們懷疑它的長久性，也許它不能足以支持全球氫經濟的發展。 　　穆克爾曼表示，開始時，他們的目標是將一種與氫的親和力很弱的非貴重金屬與另外一種與氫的親和力很強的非貴重金屬混合，獲得活性高且穩定的催化劑，并將目光鎖定在儲量豐富且價格便宜的金屬鎳和鉬上。按照目前的市場行情，鎳和鉬每千克的價格分別為20美元和32美元。兩者組合起來后，價格要比白金的價格低1000倍。當然，對于能源催化劑來說，人們常常更多考慮的是性能而不是價格。 　　新型催化劑模式探索 　　在新研發的催化劑中，鎳取代了白金在反應中的位置，但是它本身的電子密度卻無法同白金相比。為彌補鎳自身的不足，于是科學家借助鉬來增強鎳的反應能力。雖然此方法有效，但是仍然無法與白金相媲美。 　　研究論文第一作者陳偉賦（音譯）介紹說，為進一步提高催化性能，他們引入了第3個元素氮來改變鎳和鉬的電子態。氮早已用于疏松材料或尺寸大于1微米的物質中，但是用在納米尺寸的材料中卻具有較大的難度。起初，科學家期望用氮來改變鎳鉬的結構，形成不連續的類球體納米粒子。但有趣的是，在研發過程中，他們卻有新的發現。 　　在高溫氨環境中，向鎳鉬復合物注入氮，科學家發現鎳鉬氮出乎意外地形成了具有極大反應面積的二維納米薄片。借助布魯克海文國家實驗室凝聚物理學和材料學分部的高分辨率通光顯微鏡以及國家同步輻射光源X光探測儀，科學家搞清楚了新材料的二維結構以及電子排布。陳偉賦表示，這是人們首次獲得納米薄片金屬氮化物，氮的引入導致鎳鉬復合物發生了巨大的變化，它擴展了鎳鉬合金的晶格，提高了電子密度，讓電子結構近似于貴金屬，同時能防止腐蝕。 　　科學家新開發的催化劑的性能與白金催化劑的相近，具有任何其他非貴重金屬復合物所無法比擬的電催化活性和穩定性。穆克爾曼表示，新催化劑生產工藝既簡單又能規模化，從而可讓鎳鉬氮化物有足夠的能力滿足工業應用的需要。 　　研究項目的構思者、布魯克海文國家實驗室化學家孝太郎·佐佐木表示，他們最初希望設計出一種活性高且價格低的最優催化劑，有能力產生足夠的氫氣作為高密度和清潔的能源。新催化劑的實際性能超過了他們的期望。 　　雖然新催化劑并不意味著生產廉價氫能的所有問題得到了完全解決，但是它的確大幅度降低了電解水主要設備的成本。科學家強調他們的突破源于基礎知識的探索，這種途徑有望改變整個研究進程，其提出的新模式將引導未來的研究。

（來源：鉬網 2012-05-18）