氫能作為一種高能量密度且可再生的清潔資源，在解決能源與環(huán)境的問題上具有巨大優(yōu)勢。然而在用電解水制備氫氣時，以往多使用成本高昂、儲量稀少的貴金屬催化劑。9月3日，南京工業(yè)大學對外宣傳，該校邵宗平教授和周嵬教授團隊開發(fā)了一種高活性兼具高穩(wěn)定性的“智能”非貴金屬催化劑，可替代傳統(tǒng)的貴金屬催化劑。
該團隊多年來一直致力于研究鈣鈦礦氧化物材料在能源轉換與存儲中的應用。鈣鈦礦可謂是科研界的“明星”材料，其結構和電子結構靈活可調、組成元素種類眾多且來源豐富，近年來在包括電解水等眾多領域有著廣泛應用。他們深入分析了在反應過程中催化劑的變化所帶來的“雙刃劍”效應，即催化劑在反應過程中的離子析出行為，一方面有助于吸附反應物促進反應進行，但另一方面破壞了催化劑的結構，使得穩(wěn)定性無法保持。
據(jù)該團隊博士研究生管大秦介紹，電解水制氫工藝包含陰極的產(chǎn)氫反應和陽極的產(chǎn)氧反應，陽極的反應很慢，會限制整體電解水產(chǎn)氫的效率?！耙虼?，我們開發(fā)的這種陽極‘智能’催化劑，能夠在反應過程中自適應地轉變成具有更高活性和穩(wěn)定性的共邊和共面型表面物質，從而使產(chǎn)氧能夠又快又穩(wěn)地進行，這樣陰極產(chǎn)氫反應的效率就會大幅提高了。”管大秦介紹。
這里的“智能”主要體現(xiàn)在，由于離子析出有利有弊，課題組創(chuàng)新設計策略調控了材料離子析出行為，從而使材料在反應過程中能夠同時發(fā)揮出離子析出行為的優(yōu)點同時克服其缺點。“我們在鈣鈦礦材料里通過化學一步法自組裝的合成方法，引入可溶性雜相氯化鋇和氯化鍶來調控離子析出行為?！惫艽笄亟榻B說，課題組還通過多種現(xiàn)場原位的表征技術闡明了這種“智能”催化劑在產(chǎn)氧過程中的催化機理。
“這種‘智能’的鈣鈦礦型催化劑不僅催化活性高，穩(wěn)定性好，同時合成簡便，原料儲量豐富。我們將這種陽極催化劑和以前開發(fā)的的陰極鈣鈦礦型催化劑結合起來用于整體電解水。結果發(fā)現(xiàn)：這種鈣鈦礦催化劑組合，比貴金屬組合具有更高的性價比和更好的穩(wěn)定性，即在同樣的反應電位和資金投入下，該催化劑組合所達到的活性是貴金屬組合的十幾倍，而且穩(wěn)定性還更加優(yōu)越?！敝茚徒榻B說。
此項工作不僅給科研界的基礎研究提供了一種全新的設計思路，同時，開發(fā)出來的“智能”非貴金屬催化劑具有很高的催化活性和穩(wěn)定性，而且價格低廉，在電解水制氫、氫燃料電池以及其他涉及產(chǎn)氧反應的儲能領域，都展現(xiàn)出廣闊的應用前景。