美科学家采用传统化学方法制造出产环保氢催化剂

2014-1-28 09:23 来源: 中国科技网-科技日报
收藏到BLOG

  据物理学家组织网1月26日报道,美国斯坦福大学和丹麦奥胡斯大学研究人员采用传统的化学方法,设计出一种用于制造清洁燃料氢分子(H2)的高效和环保的催化剂,这一催化剂还可广泛应用于现代工业制造化肥以及提炼原油转化成汽油。该研究成果刊登在最新一期的《自然》杂志上。

  尽管氢是丰富的元素,但在自然界中,氢一般与氧结合成水(H2O)、甲烷(CH4)或是天然气的主要成分。目前,工业氢来自天然气,但这个过程中消耗了大量的能量,同时也向大气释放出二氧化碳,从而加剧了全球碳排放的产生。

  通过电解从水中释放出氢是一种工业方法,但之前都是将铂作为电解水的最佳催化剂。铂催化成本过高,若大量生产很不现实。由此,研究人员重新设计了一种廉价和普通的工业材料,其效率几乎与铂一样,这一发现有可能给工业制氢带来彻底变革。

  自第二次世界大战以来,石油工程师使用二硫化钼帮助提炼石油。但是至今为止,这种化学物质被认为不是通过电解水产生氢的很好的催化剂。最终,科学家和工程师搞清楚了原由:最常用的二硫化钼材料的表面具有不合适的原子排列。通常,二硫化钼晶体表面上的硫原子被绑定至三个钼原子下方,该配置不利于电解水。

  2004年,斯坦福大学化学工程教授延斯在丹麦技术大学曾有一个重大发现:在这种晶体边缘周围,部分硫原子只与两个钼原子绑定。在这些边缘部位,其特点是双键而非三个键,钼的硫化物能更有效地形成氢气。

  现在,斯坦福大学博士后研究员雅各布·凯普斯高采用了一个已有30年的“食谱”做法,在其边缘制成具有很多这些双键硫的硫化钼形式。这样,用简单的化学方法,研究人员合成了这个特殊的魔草硫化物纳米团簇。并将这些纳米团簇存放于导电的材料石墨片中,让石墨和钼的硫化物结合在一起形成一个廉价的电极,成为替代昂贵的电解催化剂铂的理想之物。

  接着问题来了:这种复合电极可以有效推动化学反应、重新排列水中的氢原子和氧原子吗?斯坦福大学化学工程助理教授托马斯·哈拉米略说:“将这种复合电极浸入水中略微酸化,这意味着其包含带正电荷的氢离子。这些正离子被吸引到魔草硫化物纳米团簇,它们的双键形状给予其恰到好处的原子特性,将电子从石墨导体传递到正离子。这种电子转移把正离子变成中性的分子氢,然后逐渐冒出气体。”

  研究人员说,最重要的是发现魔草硫化催化剂造价低廉,从水中释放出氢的潜力接近基于昂贵铂的系统效率。目前只在实验室中取得的成功仅仅是一个开端,下一步的目标是将这种技术规模化,以满足全球每年对氢的大量需求。