科學家們發(fā)現(xiàn)了一種可替代傳統(tǒng)鉑基催化劑的氮、鈷摻雜固體原子石墨烯催化劑。該催化劑可以將水中的氫分離出來，用于氫燃料電池，而且其起始電壓低，活性高，保持時間長，價格低廉。
 

氮、鈷摻雜的石墨烯量子點結(jié)構(gòu)
 

　萊斯大學的科學家們研究發(fā)現(xiàn)，摻有氮原子和鈷原子的石墨烯能制成一種高效且持久的催化劑。中國科學院、德州大學圣安東尼奧分校、休士頓大學和James Tour化學實驗室共同報告了這種用于從水中提取氫氣的超級固體催化劑的發(fā)展進程。

　大家已知的鉑基催化劑可以用來分解水，這種方法能夠為一些燃料電池提供所需的氫氣。但是鉑屬于貴金屬，這樣做成本較高。因此這一最新發(fā)現(xiàn)朝著低成本生產(chǎn)氫就邁進了重大的一步。

　Tour說：“這項研究成果的獨特之處在于，我們使用既不是金屬粒，也不是納米金屬粒，而是原子。”這種物質(zhì)的顆粒要多小就有多小。

　Tour認為：“即使是小到納米尺度的粒子也僅在物質(zhì)的表面起作用，而納米粒中的許多原子在一定程度上根本不起任何作用。但在我們的實驗中，驅(qū)動催化的原子并沒有任何金屬原子相鄰。我們用盡量少的鈷來制造這種催化劑，使它幾乎能與性能最佳的鉑基催化劑相較橫。”在對比試驗中，新型催化劑與鉑基催化劑都可以在較低的開始電壓下進行催化反應(yīng)，將水分解成氫氣和氧氣。

　這種新型催化劑可以混合成溶液，并且制成像紙一樣薄的材料，或者用作表面涂層。Tour認為已經(jīng)能夠在液體中實現(xiàn)單原子催化劑，但在表面上催化還很難，不過通過設(shè)置電極應(yīng)該可以比較容易地解決這一問題。“研究人員發(fā)現(xiàn)，經(jīng)熱處理的氧化石墨烯和少量的鈷鹽在氣體環(huán)境中會迫使單個鈷原子與材料結(jié)合。電子顯微鏡照片顯示，樣品中的鈷原子很分散。

　他們測試了僅摻氮的石墨烯，發(fā)現(xiàn)它缺少啟動催化過程的能力。但是如果加入很少量的鈷就能顯著地提高它分解酸性或堿性水的能力。

　盡管托爾認為這是一種性能極高的材料，但是他也不得不承認，鉑碳催化劑的起始催化電壓更低，”毫無疑問，目前它們是最好的。但是石墨烯基催化劑的起始電壓也沒有高很多，而且它更容易大規(guī)模生產(chǎn)并且成本低得多。“托爾認為單層石墨烯的比表面積大，在惡劣環(huán)境中工作穩(wěn)定性高并且導(dǎo)電率高，因此是一種理想的基底。在進行10個小時的加速催化實驗后，這種新型催化劑會的活性會稍有降低，但是這是可以忽略不計的。

責任編輯：班英飛

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