无需金属 新型催化剂帮助氢燃料电池更廉价 更轻量

材料牛注：康涅狄格大学的Steven Suib 和James Rusling教授的团队开发出一种新催化剂，使生产氢的商业化成为可能，成为新一代价廉、轻量化氢燃料电池的关键元素。这种新型无金属催化剂采用碳纳米管注入硫，具有稀土金属的电化学性质，硫注入碳纳米管对于从水中分离氢和降低水中的氧这两个过程都是十分有效，这些双重属性的材料是罕见的。

康涅狄格大学的Steven Suib 和James Rusling教授的团队开发出一种新材料，使生产氢的商业化成为可能，成为新一代价廉、轻量化氢燃料电池的关键元素。

新型无金属催化剂采用碳纳米管注入硫。

氢是宇宙中最多的元素，也是清洁能源的理想来源。但获得高纯氢成本高、耗能大。所以把精力放在提取氢上不如放在生产氢气上，找到一种廉价、高效生产氢的方法，将会开创可持续氢经济体，减少世界对化石能源的依赖。

目前的氢生产是从原油的碳氢化合物中分离出氢，但它需要巨大的热量，最终获得氢纯度并不理想，也没有相应的副产品。

另一种生产氢的办法，提取水中的氢就更清洁、更可持续了，但也受到很多限制。在这个过程中所涉及的催化剂通常用到稀土金属如铂和铱，但这些稀土金属价格昂贵，使纯净氢的商业化困难重重。

找到一种生产成本低、具有所有的稀土金属的电化学性质的非金属催化剂，一直是科学家们近些年研究的目标。

Suib 和Rusling教授发现硫注入碳石墨纳米管是一种氧还原反应潜在的有效的非金属催化剂。当氢和氧分子转化为水的时候，氧化还原反应发生了。这种反应是氢基燃料电池的关键组成。氢气通过催化剂金属铂发生氧化还原反应，反应会产生能量和副产品：水。

但氧化还原反应的逆过程——从水中提取氢，在电化学上仍然很难。Suib 和Rusling的团队决定试一试。

Suib 指出，这个逆反应的关键是在纳米管内控制硫原子和碳原子创造更稳定的结构，同时维持纳米管的电化学电位。

Suib说：“如果你将要制造一个氢经济体，你需要有一个新的材料来做同样的事情，就像极其昂贵的稀土金属，但是你如何获得便宜、耐用、稳定，足以达到行业水平的产品？这正是我们面临的挑战”。

开发过程中， Suib和Rusling的实验室采用了涉及硫和二苄基二硫在高温热处理的双掺杂过程。研究人员必须仔细地在极低的水平上保持可用性和稳定性的微妙平衡。硫过多，样品将会变得不稳定，硫过少，样品又无效。

Suib指出用一种普通的方法从水中分离出氢，就像从面粉和沙子的混合物中分离出面粉。

最终， Suib说，硫掺杂的碳纳米管在化学反应过程中使用的能量比其他已知的要少得多，并且其催化效果比其他已知的产品更为有效。

最重要的是， Suib指出，硫注入碳纳米管对于从水中分离氢和降低水中的氧这两个过程都是十分有效，这些双重属性的材料是罕见的。

论文地址：Controlling the Active Sites of Sulfur-Doped Carbon Nanotube–Graphene Nanolobes for Highly Efficient Oxygen Evolution and Reduction Catalysis

原文参考地址：New Catalyst Found for Clean Energy Fuel

感谢材料人编辑部钢铁侠提供素材。