作者：中國(guó)科學(xué)院成都有機(jī)化學(xué)有限公司 來(lái)源：http://m.sikpqwc.cn 日期：2016-06-23 13:44:29
眾所周知?dú)湓卦谟钪嬷刑N(yùn)含量十分豐富，而且其反應(yīng)產(chǎn)物水讓它成為最清潔的能源。但是生產(chǎn)高質(zhì)量的氫能電池不僅成本昂貴，轉(zhuǎn)換效率也很難達(dá)標(biāo)。通常，提取氫的投入已經(jīng)超過(guò)氫氣產(chǎn)生的收益了。為了減少地球?qū)剂系囊蕾?lài)，人們正在努力尋找低價(jià)有效的儲(chǔ)氫方式建設(shè)可持續(xù)發(fā)展的氫能經(jīng)濟(jì)，這顯然還有很長(zhǎng)一段路要走。
蘇博是康涅狄格大學(xué)特聘化學(xué)教授、校董事會(huì)主席同時(shí)也是材料系系主任，他說(shuō)道：“新材料看起來(lái)很有希望。目前的結(jié)果顯示，這種材料特性?xún)?yōu)于最新發(fā)表的其他新材料，而且尤其適合我們想要達(dá)成的化學(xué)反應(yīng)。”
現(xiàn)階段的一種制氫技術(shù)是采用強(qiáng)熱加熱原油中的碳?xì)浠衔锓蛛x氫氣。得到的氫氣往往純度不高，副產(chǎn)物需要進(jìn)一步過(guò)濾。
另一種方法是分離出水中氫，這種方法看起來(lái)似乎更清潔更可持續(xù)發(fā)展，但是它仍有諸多局限。電化學(xué)催化需要鉑、銥這樣的稀土金屬作為催化劑。高昂的價(jià)格讓提取純氫的商業(yè)化止步不前。因此科學(xué)家們一直在致力尋找跟稀土金屬擁有一樣穩(wěn)定催化效果的非金屬催化劑。
作為電化學(xué)領(lǐng)域的專(zhuān)家，蘇博和魯斯林都知道，填充的碳納米管是潛在有效的氧氣還原反應(yīng)的催化劑。氧氣還原反應(yīng)（Oxygen Reduction Reaction）簡(jiǎn)稱(chēng)ORR，是氧氣氫氣結(jié)合生成水反應(yīng)的一部分。這個(gè)反應(yīng)也是氫電池的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。氫氣穿過(guò)催化劑（比如耐腐蝕的金屬鉑）導(dǎo)致氧氣發(fā)生電化學(xué)還原反應(yīng)產(chǎn)生能量，和副產(chǎn)物水。
該反應(yīng)的逆反應(yīng)-從水生成純氫的過(guò)程，又稱(chēng)為析氧反應(yīng)，在電化學(xué)方面則面臨更多的挑戰(zhàn)。蘇博領(lǐng)導(dǎo)的博士生團(tuán)隊(duì)想要攻克這個(gè)難題。蘇博強(qiáng)調(diào)技術(shù)關(guān)鍵在于精確控制碳、硫原子在納米管內(nèi)形成穩(wěn)定的化學(xué)鍵的同時(shí)，提高納米管的電化學(xué)勢(shì)，以達(dá)到與稀土金屬相同的水平。
“如果想要實(shí)現(xiàn)氫能經(jīng)濟(jì)，就得找到新材料，以取代昂貴稀土金屬的催化作用，”蘇博說(shuō)道，“更大的挑戰(zhàn)是這個(gè)新材料不僅便宜，穩(wěn)定耐久還必須能達(dá)到工業(yè)級(jí)別的生產(chǎn)水平。”
蘇博和魯斯林在實(shí)驗(yàn)室中采用硫單質(zhì)和二芐基二硫醚高溫雙重參雜的處理方法。研究人員必須精確添加少量硫雜環(huán)原子，以保證最終產(chǎn)物功能性穩(wěn)定性的微妙平衡。過(guò)量的硫會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)物不夠穩(wěn)定，過(guò)少的硫則會(huì)影響催化劑的有效性。
蘇博認(rèn)為，大體上水中分離出氫氣的過(guò)程和分離混合均勻的沙和面粉差不多。最終摻雜硫的碳納米管在整個(gè)電化學(xué)反應(yīng)中消耗更少能量，也比其他催化劑更加活躍有效。
更重要的是，蘇博指出，硫填充的碳納米管在分離氫氣和還原氧氣反應(yīng)中都十分有效，很少有材料對(duì)正逆化學(xué)反應(yīng)具有雙向催化作用。“我十分的驚喜，我們已經(jīng)預(yù)料到新材料能夠成功，實(shí)際上新材料的結(jié)果超乎想象。”蘇博的興奮溢于言表。
蘇博說(shuō)道，新材料的成功離不開(kāi)康涅狄格大學(xué)生物科技電子顯微實(shí)驗(yàn)室提供的儀器支持，和FEI公司高級(jí)顯微中心的材料分析、測(cè)試、表征。
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