伯克利实验室开发新型纳米催化材料 提升甲醇制氢效率

据外媒报道，劳伦斯伯克利国家实验室分子实验室领导的一个研究团队设计并合成了超小型镍纳米团簇（约1.5纳米），可以沉积在富含缺陷的氮化硼纳米片上，形成具有优异甲醇脱氢活性和选择性的催化剂（Ni/BN）。

研究人员表示，这种催化剂可以加速反应，并有效地从甲醇等液体化学载体中去除氢原子。与现有的贵金属材料不同，这种材料坚固耐用，由丰富的金属制成，有可能促进可行的氢能的开发，具有广泛的应用。对于使用液体载体的氢气生产的化学反应，最有效的催化剂由贵金属制成，但这些催化剂成本高，产率低，并且容易受到污染。由更常见的金属制成的其他催化剂，尽管具有成本效益，但通常具有较低的效率和较差的稳定性，这影响了它们的催化活性和在制氢工业中的实际应用。为了提高这些低成本金属催化剂的性能和稳定性，研究负责人Urban和他的同事调整了他们的策略，将重点放在微小、均匀的镍簇上。这些小团簇可以充分扩展反应表面，并在给定数量的材料中发挥重要作用，但它们可能聚集在一起并抑制反应活性。主要研究人员Chuck Hole Zhang和Ji Su设计并进行了实验，在由硼和氮组成的2D衬底上沉积直径为1.5纳米的镍金属簇。这些衬底具有原子级凹形网络，可防止团聚，使镍金属簇均匀分散并牢固固定在凹形中。这种设计不仅可以防止结块，还可以通过与镍金属簇的直接相互作用提供优异的热和化学财产，并显著提高催化剂的整体性能。研究发现，在团簇的形成和沉积阶段，下伏表面的作用至关重要，可以为理解它们在其他过程中的作用提供线索。通过详细的X射线和光谱测量，结合理论计算，可以揭示下伏表面的许多方面及其在催化过程中的作用。利用美国能源部伯克利实验室用户设施的先进光源工具和计算建模方法，研究人员可以确定微镍团簇形成和沉积过程中2D板的物理和化学财产的变化。研究团队认为，在材料形成过程中，金属团簇占据了薄板的原始区域，并与附近的边缘相互作用，从而使团簇保持较小的尺寸。在从液体载体中分离氢气的过程中，这些小而稳定的团簇可以发挥促进作用，使催化剂具有优异的选择性、生产率和稳定的性能。与最近报道的其他催化剂相比，这是最具活性的催化剂之一。计算表明，原因是由于催化剂的尺寸。研究人员David Prendergast和Ana Sanz Matias通过使用模型和计算方法揭示了这种微小金属团簇独特的几何和电子结构。这些小团簇上存在大量暴露的金属原子，与较大的金属颗粒相比，更容易吸引液体载体；同时，它可以简化从载体脱氢的化学反应步骤，防止污染物的形成，防止簇表面堵塞。因此，在关键的制氢反应步骤中，材料可以保持无污染状态。这些性能得益于有意在2D晶片中引入缺陷，这有助于簇保持小尺寸。在这项研究中，研究人员开发了一种相对便宜、易于获得且稳定的催化材料，该材料有助于从作为燃料的液体载体中脱氢。伯克利实验室团队将进一步调整策略，改进支持小金属团簇的2D基质，以开发更高效的催化剂，并优化从液体化学载体中提取氢气的工艺。

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