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新型碳納米管催化劑有望大幅降低氫能源生產成本

作者：中國科學院成都有機化學有限公司來源：http://www.sikpqwc.cn 日期：2016-06-23 13:44:29

眾所周知氫元素在宇宙中蘊含量十分豐富，而且其反應產物水讓它成為最清潔的能源。但是生產高質量的氫能電池不僅成本昂貴，轉換效率也很難達標。通常，提取氫的投入已經超過氫氣產生的收益了。為了減少地球對化石燃料的依賴，人們正在努力尋找低價有效的儲氫方式建設可持續發展的氫能經濟，這顯然還有很長一段路要走。

蘇博是康涅狄格大學特聘化學教授、校董事會主席同時也是材料系系主任，他說道：“新材料看起來很有希望。目前的結果顯示，這種材料特性優于最新發表的其他新材料，而且尤其適合我們想要達成的化學反應。”

現階段的一種制氫技術是采用強熱加熱原油中的碳氫化合物分離氫氣。得到的氫氣往往純度不高，副產物需要進一步過濾。

另一種方法是分離出水中氫，這種方法看起來似乎更清潔更可持續發展，但是它仍有諸多局限。電化學催化需要鉑、銥這樣的稀土金屬作為催化劑。高昂的價格讓提取純氫的商業化止步不前。因此科學家們一直在致力尋找跟稀土金屬擁有一樣穩定催化效果的非金屬催化劑。

作為電化學領域的專家，蘇博和魯斯林都知道，填充的碳納米管是潛在有效的氧氣還原反應的催化劑。氧氣還原反應（Oxygen Reduction Reaction）簡稱ORR，是氧氣氫氣結合生成水反應的一部分。這個反應也是氫電池的關鍵環節。氫氣穿過催化劑（比如耐腐蝕的金屬鉑）導致氧氣發生電化學還原反應產生能量，和副產物水。

該反應的逆反應-從水生成純氫的過程，又稱為析氧反應，在電化學方面則面臨更多的挑戰。蘇博領導的博士生團隊想要攻克這個難題。蘇博強調技術關鍵在于精確控制碳、硫原子在納米管內形成穩定的化學鍵的同時，提高納米管的電化學勢，以達到與稀土金屬相同的水平。

“如果想要實現氫能經濟，就得找到新材料，以取代昂貴稀土金屬的催化作用，”蘇博說道，“更大的挑戰是這個新材料不僅便宜，穩定耐久還必須能達到工業級別的生產水平。”

蘇博和魯斯林在實驗室中采用硫單質和二芐基二硫醚高溫雙重參雜的處理方法。研究人員必須精確添加少量硫雜環原子，以保證最終產物功能性穩定性的微妙平衡。過量的硫會導致產物不夠穩定，過少的硫則會影響催化劑的有效性。

蘇博認為，大體上水中分離出氫氣的過程和分離混合均勻的沙和面粉差不多。最終摻雜硫的碳納米管在整個電化學反應中消耗更少能量，也比其他催化劑更加活躍有效。

更重要的是，蘇博指出，硫填充的碳納米管在分離氫氣和還原氧氣反應中都十分有效，很少有材料對正逆化學反應具有雙向催化作用。“我十分的驚喜，我們已經預料到新材料能夠成功，實際上新材料的結果超乎想象。”蘇博的興奮溢于言表。

蘇博說道，新材料的成功離不開康涅狄格大學生物科技電子顯微實驗室提供的儀器支持，和FEI公司高級顯微中心的材料分析、測試、表征。

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