研究人员开发全新廉价的制氧催化剂其性能“令人惊讶”

发表于 3年以前 | 总阅读数：615 次

该材料系列允许工程师根据特定化学过程的需要精确调整催化剂的结构和组成，然后它可以匹配或超过传统的、更昂贵的催化剂的性能。

研究人员在《自然材料》杂志上描述了这些发现。

析氧反应是燃料、化学品和材料的电化学生产中常见的反应之一。这些过程包括生成氢气，作为氧进化的副产品，它可以直接作为燃料使用，或经过化学反应生产其他运输燃料；制造氨，用作肥料或化学原料；以及减少二氧化碳，以控制排放。

但如果没有帮助，“这些反应是迟缓的，”Shao-Horn说。“对于动力学缓慢的反应，你必须牺牲电压或能量来促进反应速度。由于需要额外的能量输入，整体效率很低。所以这就是人们使用催化剂的原因，”她说，因为这些材料通过降低能量输入自然地促进反应。

但直到现在，这些催化剂“都是依靠昂贵的材料或非常稀缺的晚期过渡金属，例如氧化铱，社会上一直在努力寻找基于地球上丰富的材料的替代品，在活性和稳定性方面具有同样的性能，”Román-Leshkov说。该团队说，他们已经找到了恰好提供这种特性组合的材料。

Román-Leshkov说，其他团队已经探索了金属氢氧化物的使用，如镍铁氢氧化物。但是这种材料很难根据具体应用的要求进行调整。不过现在，“我们的工作相当令人激动和相当有意义的原因是，我们已经找到了一种通过以独特的方式对这些金属氢氧化物进行纳米结构化来定制其特性的方法”。

该团队借鉴了对一类相关化合物的研究，这类化合物被称为金属有机框架（MOFs），是一种由金属氧化物节点与有机连接分子连接而成的晶体结构。研究小组发现，通过用某些金属氢氧化物取代这类材料中的金属氧化物，就有可能创造出精确可调的材料，这些材料还具有必要的稳定性，有可能成为有用的催化剂。

Román-Leshkov说：“你把这些有机连接物的链子放在一起，它们实际上引导了金属氢氧化物片的形成，这些金属氢氧化物片与这些有机连接物相互连接，然后被堆积起来，并具有更高的稳定性。”他说，这有多种好处，可以精确控制纳米结构图案，允许精确控制金属的电子特性，还可以提供更大的稳定性，使它们能够经得起长时间的使用。

在测试这种材料时，研究人员发现催化剂的性能是“令人惊讶的”。Shao-Horn说：“它可以与最先进的催化氧进化反应的氧化物材料相媲美。”

研究人员表示，由于主要由镍和铁组成，这些材料的成本应该仅是现有催化剂成本的1/100，尽管该团队还没有做全面的经济分析。