作者雷切尔·伯克维茨，劳伦斯·伯克利国家实验室 2D氮化硼衬底的一个例子，衬底上有微小的镍团簇
催化剂有助于化学反应，从液态化学载体中除去氢，使其可用作燃料
学分:杰夫·厄本/伯克利实验室 氢气是一种可持续的清洁能源，可以避免有毒物质的排放，并可以为多个经济部门增加价值，包括运输、发电、金属制造等
储存和运输氢的技术弥补了可持续能源生产和燃料使用之间的差距，因此是可行的氢经济的重要组成部分
但是传统的储存和运输方式很昂贵，容易受到污染
因此，研究人员正在寻找可靠、低成本和简单的替代技术
更高效的氢气输送系统将有益于许多应用，如固定电源、便携式电源和移动车辆行业
现在，正如《美国国家科学院院刊》所报道的，研究人员已经设计并合成了一种有效的材料，用于加速从醇中提取氢气的限制性步骤之一
这种材料是一种催化剂，由锚定在二维基底上的微小镍金属簇制成
由劳伦斯·伯克利国家实验室(伯克利实验室)分子铸造厂的研究人员领导的团队发现，这种催化剂可以干净有效地加速从液体化学载体中去除氢原子的反应
这种材料坚固耐用，由地球上丰富的金属制成，而不是现有的贵金属，这将有助于使氢成为一种广泛应用的可行能源
“作为一种重要的可再生能源燃料，我们在这里展示的不仅仅是一种比我们测试的其他镍催化剂活性更高的催化剂，而且是一种在广泛的反应中使用负担得起的金属的更广泛的策略，”领导这项工作的分子铸造厂无机纳米结构设施主任杰夫·厄本说
这项研究是氢材料高级研究联盟的一部分，该联盟由美国
S
能源部能效和可再生能源办公室氢和燃料电池技术办公室
通过这一努力，五个国家实验室致力于解决阻碍固体储氢材料发展的科学空白
这项工作的成果将直接反馈到EERE的H2 @规模愿景中，即在多个经济部门实现负担得起的氢生产、储存、分配和利用
像厄本和他的团队开发的那样起催化剂作用的化合物通常被用来提高化合物本身被消耗后的化学反应速率——它们可以将特定的分子保持在稳定的位置，或者作为中介，使重要的一步能够可靠地完成
对于由液体载体产生氢气的化学反应，最有效的催化剂是由贵金属制成的
然而，这些催化剂成本高、丰度低，并且容易受到污染
由更普通的金属制成的其他不太昂贵的催化剂往往效率较低且不稳定，这限制了它们的活性及其在制氢工业中的实际应用
为了提高这些富含稀土的金属基催化剂的性能和稳定性，厄本和他的同事们修改了一项策略，将重点放在微小、均匀的镍金属簇上
微小的团簇很重要，因为在给定的材料量下，它们最大化了反应表面的暴露
但是它们也倾向于聚集在一起，这抑制了它们的反应
博士后研究助理张卓雷和项目科学家冀苏都在分子铸造厂，也是这篇论文的共同作者，他们设计并完成了一个通过沉积1
由硼和氮制成的二维衬底上的5纳米直径的镍团簇，被设计成具有原子尺度的凹陷网格
镍团簇变得均匀分散并牢固地固定在凹坑中
这种设计不仅防止了结块，而且其热和化学性质通过与镍簇直接相互作用大大提高了催化剂的整体性能
“在星团形成和沉积阶段，下垫面的作用被发现是至关重要的，并可能为理解它们在其他过程中的作用提供线索，”厄本说
详细的x光和光谱学测量，结合理论计算，揭示了许多关于底层表面及其在催化中的作用
利用高级光源(伯克利实验室的美国能源部用户设施)的工具和计算建模方法，研究人员发现了微小的镍簇在二维薄片上形成和沉积时，其物理和化学性质的变化
研究小组提出，当金属团簇占据薄片的原始区域并与附近的边缘相互作用时，材料就形成了，从而保持了团簇的微小尺寸
微小、稳定的簇促进了氢从其液体载体中分离的过程中的作用，赋予催化剂优异的选择性、生产率和稳定的性能
计算表明，催化剂的大小是其活性相对于最近报道的其他催化剂而言处于最佳的原因之一
大卫·普伦德加斯特是分子铸造厂纳米结构材料理论设施的主任，他和博士后研究助理、合著者安娜·桑斯-马蒂亚斯一起，利用模型和计算方法揭示了微小金属簇独特的几何和电子结构
这些微小的团簇中富含的裸露金属原子比较大的金属粒子更容易吸引液体载体
这些暴露的原子还减缓了从载体上剥离氢的化学反应步骤，同时防止了可能堵塞簇表面的污染物的形成
因此，该材料在制氢反应的关键步骤中保持无污染
这些催化和抗污染特性来自于故意引入到二维片上的缺陷，并最终有助于保持簇的小尺寸
“污染会使可能的非贵金属催化剂变得不可行
我们的平台为这些系统的工程设计打开了一扇新的大门
在他们的催化剂中，研究人员实现了创造一种相对便宜、容易获得和稳定的材料的目标，这种材料有助于从液体载体中提取氢用作燃料
这项工作源于美国能源部开发储氢材料的努力，以满足欧洲能源研究中心的氢和燃料电池技术办公室的目标，并优化材料用于未来的车辆
伯克利实验室团队的未来工作将进一步完善以支持微小金属簇的方式修改二维衬底的策略，以开发更高效的催化剂
该技术有助于优化从液态化学载体中提取氢气的过程
来源：由phyica.com整理转载自PH，转载请保留出处和链接！
