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《中国香港研究人员开发出可提高氨生产效率的双金属合金纳米催化剂》

  • 来源专题：先进材料
  • 编译者： 李丹
  • 发布时间：2023-12-13

  • 转自全球技术地图

    据香港城市大学网站12月7日消息，中国香港城市大学的研究人员开发出一种双金属合金纳米催化剂，可提高从硝酸盐（NO3-）中电合成氨的效率。氨是一种有前途的无碳能源载体，可以为燃料电池提供氢源，而且比氢更容易液化和运输，可采用电催化硝酸盐还原反应合成，但反应过程中产生的不良副产物和竞争性析氢反应降低了氨的产率。研究人员在钌（Ru）基催化剂中加入了铁（Fe）来调节活性位点的原子配位环境，优化了Ru的电子结构和表面性质，从而优化了催化剂生产氨的催化活性，采用一锅法合成具有低配位Ru位点的超薄纳米片并组装成花状结构（即RuFe纳米花）。该新型双金属合金电催化剂具有高度稳定的电子结构，抑制了竞争性析氢反应并降低了电催化硝酸盐还原反应的能垒，表现出优异的电荷转移效率（92.9%），氨的产率几乎为单一Ru纳米片的6.9倍。该催化剂在下一代电化学能源系统中具有巨大潜力，进一步促进可持续的氮循环，推动实现无碳能源。相关研究成果发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上。

  • 原文来源：https://www.cityu.edu.hk/research/stories/2023/12/07/bimetallic-alloy-nanocatalyst-boosts-efficient-ammonia-production-potential-carbon-free-energy
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相关报告

  • 《日本研究人员开发出亚纳米颗粒制备方法 可制备稳定高效催化剂》
    • 来源专题：光电情报网信息监测服务平台
    • 编译者：husisi
    • 发布时间：2020-09-29
    • 最近，由Takamasa Tsukamoto和Kimiisa Yamamoto领导的日本东京理工学院的研究人员开发了原子杂交法（atomhybridization method，AHM）制备高效稳定亚纳米颗粒（Sub-nanoparticles，SNPs）的技术。 原子杂交法制备金、银、铜杂化SNPs流程图 众所周知，纳米材料的小尺寸效应包括高反应活性、半导体特性等。亚纳米颗粒是指比纳米颗粒更小，粒径约1nm的粒子。作为工业反应所需的催化剂来说，它甚至有望超越纳米催化剂的能力。但很明显无法通过传统生产制备方式获得。日本研究人员开发的制备方法使用一种苯甲亚胺树状大分子的“大分子模板”精确控制snp的大小和组成，该成果发表在应用化学国际版，他们甚至更进一步开发出合金SNPs催化剂。 a，合金SNPs催化烯烃生成过氧化氢b，催化活性受颗粒小型化和金属杂化影响 “我们创造了单金属、双金属和三元金属snp（分别含有一种、两种或三种金属），它们都由铸币金属元素[铜、银和金]组成，并对每种snp进行了测试，看每种snp催化剂的性能如何。”研究负责人Tsukamoto介绍，他们通过测试烯烃催化反应能力得出结论：亚纳米催化剂比纳米催化剂更稳定，并且可以在常态（非高温高压）下表现出很高的催化性能；并且三元金属SNPs显示出更高的催化周转频率，说明金属杂化有利于提升催化剂活性。
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  • 《荷兰中日新研究人员合作 制成活性高20倍的镍铂合金空心纳米催化剂》
    • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：冯瑞华
    • 发布时间：2020-01-03
    • 据外媒报道，催化剂可以加速化学反应，但是广泛用于催化剂的金属铂不仅非常稀有，还非常昂贵。因此，荷兰埃因霍温理工大学（Eindhoven University of Technology，TU/e）的研究人员与中国、新加坡和日本的研究人员合作，研发出一种活性高20倍的替代品：一种由镍和铂合金制成的空心纳米催化剂。埃因霍温理工大学研究人员Emiel Hensen希望未来利用该新催化剂研发一个大约10兆瓦、冰箱大小的电解槽。 到2050年，荷兰政府希望利用太阳能或风能等可持续能源，满足荷兰全国的能源需求。因为此类能源不是在任何时候都可使用，因此是否能够存储此类可再生能源非常重要。由于电池能量密度低，并不适合用于存储大量能量。更好的解决办法是利用化学键，氢就是最好的气体化学键。利用水，电解槽会将（过量）电能转化为可存储的氢。燃料电池则相反，会将存储的氢转化为电能，不过，此两种技术都需要催化剂来推动。 由于具备高活性，催化剂可帮助进行转化，而且大多由铂构成。不过，铂金属非常昂贵，且相对稀缺，如果想要大规模利用电解槽和燃料电池，就会是一个障碍。TU/e催化学教授Emiel Hensen表示：“因此，中国的研究人员研发了一种铂镍合金，此种合金可以降低催化剂的成本，且增加活性。”有效催化剂的活性高，就可每秒将更多的水分子转化成氢。 在燃料电池中成功进行了测试 除了选用其他金属，研究人员还能够对形态做出重大改变。催化剂中的原子必须与水和/或氧分子键合，才能够将其进行转化。因此，键合点越多，活性就会越高。Hensen表示：“必须创造尽可能大的金属表面积，所研发的中空纳米材料才能够既从内部进入，又从外部进入，创造出最大的表面积，让更多材料可以同时发生反应。”此外，Hensen还利用量子化学技术证明了纳米材料的比表面结构进一步增加了催化剂的活性。 在Hensen的模型中进行计算之后，发现与目前铂催化剂的活性相比，铂镍合金支持的催化剂的活性高出20倍。研究人员还在燃料电池实验中发现了同一结果，“很多对基础研究的批评都是说此种研究是在实验室中完成的，当被应用于真正的设备时，往往无效。不过，我们已经证明此种新型催化剂有实际的应用价值。” 催化剂必须具备稳定性使其能够在氢动力汽车或房屋中工作数年，因而，研究人员在燃料电池中对该催化剂进行了5万次循环测试，发现其活性几乎没有下降。 此种新型催化剂的应用范围非常广，既可以用于燃料电池，也可以用于电解槽中的逆反应。例如，燃料电池可以用于氢动力汽车，而有些医院也已经采用氢燃料电池为应急发电机供电。而电解槽可用于海上风电场，甚至可以用于风力涡轮机。运输氢气比运输电力的成本低得多。 Hensen的梦想更大，他表示：“我希望我们能够在每一个街区安装该电解槽，该冰箱大小的设备在白天，可以从附近屋顶上的太阳能板上将所有能量以氢气的形式存储起来。未来，地下的天然气管道可以输送氢气，家用集中供热锅炉将被燃料电池所取代，而燃料电池可将存储的氢气转化成电能，就可以充分地利用太阳能了。” 不过为了实现这一点，还需要大力发展电解槽。与其他TU/e研究人员以及Brabant地区的工业伙伴一起，Hensen参与了埃因霍温理工大学能源研究所的工作，目标是将现有商用电解槽变成一个冰箱大小的电解槽，容量为10兆瓦。
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