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布朗大學(xué)發(fā)現(xiàn)水分解制氫中鉑催化作用好的真實(shí)原因 或設(shè)計(jì)鉑替代品
時(shí)間:2020-02-10 12:07來源:蓋世汽車 作者:余秋云
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（圖片來源：布朗大學(xué)）
據(jù)外媒報(bào)道，科學(xué)家們早就知道，鉑是目前分解水制氫的最佳催化劑。美國布朗大學(xué)（Brown University）研究人員的一項(xiàng)新研究表明了，為何該種貴金屬如此有效，而且得出的結(jié)果并不是人們所認(rèn)為的結(jié)果。
據(jù)論文作者所說，該項(xiàng)研究幫助解決了一個(gè)困擾大家近一個(gè)世紀(jì)的問題，而且有助于設(shè)計(jì)出比鉑更便宜、更豐富的新型催化劑，以生產(chǎn)氫氣，可能有助于減少化石燃料的排放。
布朗大學(xué)工程學(xué)院副教授兼該研究的首席作者Andrew Peterson表示：“如果我們能夠找到廉價(jià)、有效的制氫方法，就能夠?yàn)闊o化石燃料和化學(xué)制品的許多實(shí)用解決方案打開大門。氫可用于燃料電池，而燃料電池可以用于氫動(dòng)力汽車，與過量的二氧化碳結(jié)合可以制造燃料，與氮結(jié)合可以制造氨肥料，可以利用氫氣做很多事情，而如果要分解水制氫，就需要一種更便宜的催化劑。”
Peterson表示，要設(shè)計(jì)新型催化劑首先需要了解是什么讓鉑在此種反應(yīng)中如此特別，這也正是該項(xiàng)新研究的目的所在。
長期以來，鉑作為催化劑用于分解水制氫如此成功因?yàn)槠渚邆?ldquo;金發(fā)女孩”準(zhǔn)則（剛剛好就是最適合的）結(jié)合能。理想的催化劑需要在反應(yīng)中，讓分子既不要太松散，也不要太緊湊，而是剛剛適中。將分子結(jié)合得太松，會(huì)很難讓反應(yīng)開始；如果太緊，分子又會(huì)粘在催化劑表面，使反應(yīng)難以完成。氫的結(jié)合能在鉑中恰好能夠完美的平衡水分解反應(yīng)的兩個(gè)部分，因此大多數(shù)科學(xué)家認(rèn)為這就是鉑是很好的催化劑的原因。
但是Peterson表示，有理由質(zhì)疑是否此種說法正確。例如，有一種稱為二硫化鉬（MoS2）的物質(zhì)具有與鉑類似的結(jié)合能，但是，在水分解反應(yīng)中，催化作用比鉑差得多。因此，表明結(jié)合能并不是全部原因。
為了弄清楚發(fā)生了什么，Peterson與同事研究了鉑催化劑在水分解反應(yīng)中的表現(xiàn)，他們研發(fā)了一種特殊的方法，以模擬單個(gè)原子和電子在電化學(xué)反應(yīng)中的行為。
分析表明，當(dāng)反應(yīng)速率較高時(shí)，具備“金發(fā)女孩”準(zhǔn)則結(jié)合能的鉑，在其表面結(jié)合的氫原子實(shí)際上根本不參與反應(yīng)。相反，此類原子棲息在鉑的表面晶體層中，而且也是惰性的旁觀者（不參與反應(yīng)）。參與該反應(yīng)的氫原子與假定的 “金發(fā)女孩”準(zhǔn)則結(jié)合能相比，能量要弱得多。此類氫原子不棲息在晶格中，而是坐落在鉑原子之上，可以自由相遇，形成氫氣。
研究人員得出的結(jié)論是，正是鉑表面的氫原子的自由移動(dòng)才讓鉑具有如此高的活性。
Peterson表示：“這告訴我們，尋找 “金發(fā)女孩”準(zhǔn)則結(jié)合能并不是正確的設(shè)計(jì)高活性區(qū)域的原則，我們建議設(shè)計(jì)一種催化劑，能夠讓氫處于高度流動(dòng)和活性的狀態(tài)。”
布朗大學(xué)Peterson實(shí)驗(yàn)室專門使用計(jì)算機(jī)模擬來設(shè)計(jì)新型催化劑，該團(tuán)隊(duì)計(jì)劃利用新發(fā)現(xiàn)，開始尋找鉑的替代品。
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