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可替代贵金属的制氢光催化剂问世
时间:2022-12-05 10:01:00            字体[       ] [ 打印 ]
  据Mining.com网站报道,莱斯大学、赛兹基等离子公司(Syzygy Plasmonics Inc.)和普林斯顿大学研究人员开发了一种重要的可用于氢经济的光激活纳米材料。

  科学家在发表于《科学》期刊的论文中解释称,只需要廉价原材料就能生成一种可扩展催化剂,仅利用光就可以将氨转化为清洁燃烧氢燃料。

反应池测试铜铁等离子体光催化剂用于氨制氢(照片来自莱斯大学布兰登·马丁)

  文章认为,液氨容易运输且能量高,一个氨分子包含一个氮原子和三个氢原子。新的催化剂将这些分子分解为氢气和氮气。与传统催化剂不同,它不需要加热。相反,它从阳光或LED光捕获能量。

  论文还解释称,化学反应进程一般随温度上升而加速,100多年来化学品生产商一直在通过加热来实现工业化生产。不过,燃烧化石燃料来提高大型反应釜温度数百或数千度会导致大量碳足迹。每年,化学品生产商还投资数十亿美元购买热催化剂——一种在高温下不反应但能加速反应的材料。

  论文共同作者纳奥米·哈拉斯(Naomi Halas)教授和彼德·诺德兰德(Peter Nordlander)指出,最好的热催化剂由铂及相关贵金属比如钯、铑和钌构成。也可以利用光激活金属纳米粒子来加速反应,但其中最好的还是使用贵金属比如银和金制成。

  然而,新的研究表明,过渡金属比如铁在LED光子源照射下可变身为有效的等离子光催化剂。

  研究人员认为,该发现为持续低成本就地而不是大规模集中生产氢铺平了道路。

  哈拉斯和诺德兰德2011年发现一种等离子粒子能够释放称为“热载流子”(Hot Carriers)的短寿命高能光子。2016年,他们发现热载流子生成器可以与催化粒子结合,从而产生混合“天线反应器”(Antenna-reactors),一部分从光捕获能量,另外一部分利用能量来驱动外科手术般精度的化学反应。

  多年来,这些研究人员、他们的学生和合作者一直在努力寻找一种既能捕能又能加速反应的非金属替代材料。新研究成果是这些工作的结晶。在这篇论文中,哈拉斯、诺德兰德、莱斯大学校友侯赛因·罗巴特贾齐(Hossein Robatjazi)、普林斯顿工程师艾米莉·卡特(Emily Carter)以及其他著者称,由铜和铁制成的天线反应器粒子能够促使氨高效转化。铜,捕能粒子可以从可见光中获取能量。

  “无光情况下,铁铜催化剂比铜钌催化剂反应效果低300倍,这不奇怪,因为钌是这种反应更好的热催化剂”,目前担任赛兹基等离子公司首席科学家的罗巴特贾齐认为。“在照射下,铜铁催化剂显示出较高的催化能力,其性能与铜钌催化剂类似”。

  赛兹基拥有莱斯大学天线反应器技术的使用许可,该项研究包括对公司可商业获取、LED为动力反应器中催化剂扩大规模试验。在莱斯大学的实验室试验中,铜铁催化剂用激光进行了照射。塞兹基的试验表明,在LED照射下,这种催化剂达到了效果,而且比实验室的规模扩大了500倍。

  “这是科学文献首次报道用光催化剂在LED照射下从氨生成克级规模的氢气”,哈拉斯称。“这为等离子体光催化剂中贵金属实现完全替代打开了大门”。

  作者们相信,由于极有可能大幅降低化学反应碳排放,等离子天线反应器光催化剂值得进一步研究。

  卡特说,“这些令人震撼的结果表明其他丰富金属结合很可能广泛用作化学反应的低成本搞笑催化剂”。

 

 

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