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(shì)。然而在用電解水制備氫氣時(shí)，以往多使用成本高昂、儲(chǔ)量稀少的貴金屬催化劑。9月3日，南京工業(yè)大學(xué)對(duì)外宣傳，該校邵宗平教授和周嵬教授團(tuán)隊(duì)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(tuán)隊(duì)多年來一直致力于研究鈣鈦礦氧化物材料在能源轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)中的應(yīng)用。鈣鈦礦可謂是科研界的“明星”材料，其結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)靈活可調(diào)、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(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。他們深入分析了在反應(yīng)過程中催化劑的變化所帶來的“雙刃劍”效應(yīng)，即催化劑在反應(yīng)過程中的離子析出行為，一方面有助于吸附反應(yīng)物促進(jìn)反應(yīng)進(jìn)行，但另一方面破壞了催化劑的結(jié)構(gòu)，使得穩(wěn)定性無法保持。
據(jù)該團(tuán)隊(duì)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(yīng)和陽(yáng)極的產(chǎn)氧反應(yīng)，陽(yáng)極的反應(yīng)很慢，會(huì)限制整體電解水產(chǎn)氫的效率?！耙虼?，我們開發(fā)的這種陽(yáng)極‘智能’催化劑，能夠在反應(yīng)過程中自適應(yīng)地轉(zhuǎn)變成具有更高活性和穩(wěn)定性的共邊和共面型表面物質(zhì)，從而使產(chǎn)氧能夠又快又穩(wěn)地進(jìn)行，這樣陰極產(chǎn)氫反應(yīng)的效率就會(huì)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(shè)計(jì)策略調(diào)控了材料離子析出行為，從而使材料在反應(yīng)過程中能夠同時(shí)發(fā)揮出離子析出行為的優(yōu)點(diǎn)同時(shí)克服其缺點(diǎn)。“我們?cè)阝}鈦礦材料里通過化學(xué)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(diào)控離子析出行為。”管大秦介紹說，課題組還通過多種現(xiàn)場(chǎng)原位的表征技術(shù)闡明了這種“智能”催化劑在產(chǎn)氧過程中的催化機(jī)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(shí)合成簡(jiǎn)便，原料儲(chǔ)量豐富。我們將這種陽(yáng)極催化劑和以前開發(fā)的的陰極鈣鈦礦型催化劑結(jié)合起來用于整體電解水。結(jié)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(jià)比和更好的穩(wěn)定性，即在同樣的反應(yīng)電位和資金投入下，該催化劑組合所達(dá)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(xiàng)工作不僅給科研界的基礎(chǔ)研究提供了一種全新的設(shè)計(jì)思路，同時(shí)，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(jià)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(yīng)的儲(chǔ)能領(lǐng)域，都展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。