美國高校研究人員使用X射線尋找更廉價催化劑
氫燃料電池是清潔和可再生能源領(lǐng)域極具前景的技術(shù),但其陰極材料成本和活性是當(dāng)前商業(yè)化拓展的主要挑戰(zhàn)。
許多燃料電池需要昂貴的鉑基催化劑“引發(fā)”和“加速”化學(xué)物質(zhì)反應(yīng),進而促進可再生燃料向電能的轉(zhuǎn)化。為了使氫燃料電池更具商業(yè)可行性,科學(xué)家們正在尋找實現(xiàn)純鉑相同效率,但價格更為便宜的催化材料。
“像電池一樣,氫燃料電池將儲存的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能,為氫燃料電池尋找廉價有效的催化劑,是實現(xiàn)這項技術(shù)商業(yè)可行的重要一環(huán)!笨茖W(xué)家阿德里安亨特表示。
通過參與全球范圍內(nèi)對燃料電池陰極材料的研究,阿克倫大學(xué)的研究人員開發(fā)出一種新方法,試用金屬“鉑”和“鎳”合成催化劑,形成八面體(八面)形納米顆粒。雖然科學(xué)家已將該種催化劑確定為純鉑最有效替代品之一,但研究人員仍沒有完全理解合成催化劑為何要成長為八面體的存在。
為更好地了解增長過程,阿克倫大學(xué)的研究人員與多個機構(gòu)合作,包括Brookhaven及其NSLS-II聯(lián)合推進了進一步的觀察和研究。
“了解催化劑如何形成,對于確定其結(jié)構(gòu)、性質(zhì)相關(guān)性和設(shè)計更好的催化劑方面起著關(guān)鍵作用。”阿克倫大學(xué)催化實驗室首席研究員彭振夢表示:“鉑鎳系統(tǒng)的增長過程非常復(fù)雜,因此我們將與幾個經(jīng)驗豐富的團隊合作應(yīng)對挑戰(zhàn)!
通過利用NSLS-II的超亮X射線、NSLS-II的原位以及Operando軟X射線光譜(IOS)光束線的先進功能,研究人員實時揭示了催化劑生長途徑的化學(xué)特征。
“我們將X射線導(dǎo)向樣品,導(dǎo)致電子釋放。通過分析這些電子的能量,我們能夠區(qū)分樣品中的化學(xué)元素,以及它們的化學(xué)和氧化態(tài)。”IOS的首席科學(xué)家Iradwikanari Waluyo解釋。
科學(xué)家們在催化劑表面識別化學(xué)信息,并將其與內(nèi)部進行比較。通過對比,他們發(fā)現(xiàn)在合成催化劑生長反應(yīng)過程中,金屬鉑首先形成并成為納米粒子的核心,當(dāng)反應(yīng)達(dá)到稍高溫度時,鉑有助于形成金屬鎳,后續(xù)金屬鎳將逐步偏析到納米顆粒的表面。
在生成的最后階段,催化劑顆粒表面會形成兩種金屬量大致相等的混合物,鉑和鎳間的有趣協(xié)同效應(yīng),在納米粒子的八面體形狀及反應(yīng)性發(fā)展中起著重要作用。
“鎳是一種廉價的材料,而鉑十分昂貴!焙嗵乇硎荆骸拔覀兿Mㄟ^更多的研究,計算出在保持催化劑高活性的情況下,試用最少量的鉑,創(chuàng)造出更具成本效益的催化劑。“
研究結(jié)果將取決于IOS的先進能力!霸贗OS,我們能夠在實際生長條件下,實時跟蹤納米粒子的成分和化學(xué)狀態(tài)的變化!毕嚓P(guān)研究人員表示。
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