新型石墨烯-碳纳米管催化剂可能引发清洁能源革命

时间:2020-04-27 22:13 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

新型石墨烯-碳纳米管催化剂可能引发清洁能源革命

研究人员开发了一种很有前途的石墨烯纳米管催化剂,使他们能够更好地控制生产氢燃料的极其重要的化学反应。

廉价高效的燃料电池和电解水器将成为氢燃料经济的基石,氢燃料经济是最有前途的清洁和可持续的化石燃料替代品之一。这些装置依靠一种叫做电催化剂的材料来工作,因此开发高效、低成本的催化剂对于使氢燃料成为一种可行的替代品至关重要。阿尔托大学的研究人员开发了一种新的催化剂材料来改进这些技术。

氧还原反应(ORR)和氧演化反应(OER)是限制氢燃料电池(用于车辆和发电)、水电解槽(用于清洁制氢)和大容量金属空气电池效率的最重要的电化学反应。阿尔托的物理学家和化学家与法国国家研究中心和奥地利维也纳的研究人员合作开发了一种新的催化剂,这种催化剂比现有的其他双功能催化剂更有效地驱动这些反应。研究人员还发现,这种新型催化剂的电催化活性会随着催化剂所使用材料的选择而发生显著变化。

我们希望用包括过渡金属、碳和氮等便宜而富含地球元素的高活性和稳定的替代物来取代以铂和铱等贵金属为基础的传统昂贵而稀缺的催化剂。领导这项工作并撰写论文的阿尔托研究人员穆罕默德·塔瓦科利博士说。

在与CNRS的合作中,该团队制造了一种多孔石墨烯和碳纳米管的混合物,并将其与其他元素的单原子掺杂在一起,这是一种很好的催化剂。石墨烯和碳纳米管(CNT)分别是碳的一维和一维厚同素异形体,由于其与传统材料相比具有的优异性能,引起了学术界和工业界的极大兴趣。他们开发了一种简单且可扩展的方法来同时生长这些纳米材料,将它们的特性结合到一个产品中。我们是世界上可扩展合成双壁碳纳米管的领先团队之一。这里的创新之处在于改进了我们的制造工艺,以准备这些独特的样品。加拿大国家科学研究中心的研究主任Emmanuel Flahut博士说。

在这个一步法过程中,他们还可以将石墨烯与氮和/或金属(钴和钼)单原子掺杂,作为生产单原子催化剂(SACs)的一种有前途的策略。在催化科学中,分散在固体载体上的孤立金属原子微囊因其最大的原子利用效率和独特的性质引起了广泛的研究关注。与其它制法相比,Aalto公司采用的制法更为合理。CNRS团队提供了一种简单易行的方法,只需一步即可实现,降低了成本。

催化剂基材可以提高性能

催化剂通常沉积在基底上。这种底物对催化剂最终反应活性的作用通常被研究者忽略,但是对于这种新型催化剂,研究者发现底物对其效率起着重要的作用。研究小组发现,这种材料的多孔结构可以使其接触到与基体界面形成的更活跃的催化剂位点,因此他们开发了一种新的电化学显微镜分析方法,来测量这种界面如何有助于催化反应并产生最有效的催化剂。他们希望通过研究衬底对多孔材料催化活性的影响,为电化学能量器件的高性能电极的合理设计奠定基础,并为今后的研究提供指导。

参考文献:介孔单原子掺杂石墨烯;碳纳米管杂化:析氧和还原反应的合成和可调电催化活性;Mohammad Tavakkoli, Emmanuel Flahaut, Pekka PeljoJani Sainio, Fatemeh Davodi, Egor V. Lobiak, Kimmo Mustonen和Esko I Kauppinen, 2020年3月20日,ACS催化。

DOI: 10.1021 / acscatal.0c00352

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