“清潔能源經(jīng)濟(jì)”似乎總是在幾步之遙，但從來沒有在這里。運輸，供暖，制冷和制造的大部分能源仍然使用化石燃料輸入。但是，通過一些科學(xué)突破，氫是宇宙中最豐富的元素，可以成為未來清潔能源社會的能量載體。賓夕法尼亞州立大學(xué)和佛羅里達(dá)州立大學(xué)的科學(xué)家團(tuán)隊向難以實現(xiàn)的目標(biāo)邁進(jìn)了一步，開發(fā)出了一種成本更低，工業(yè)上可擴展的催化劑，通過低能量水分解工藝生產(chǎn)純氫。

“能源是我們這個時代最重要的問題，對于能源而言，燃料電池至關(guān)重要。然后對于燃料電池來說，氫氣是最重要的，”賓夕法尼亞州立大學(xué)博士候選人余磊和新論文的第一作者說。在ACS Nano中描述了她和她的同事在實驗室中理論預(yù)測和合成的水分解催化劑。“人們一直在尋找一種能夠有效地將水分解為氫氣和氧氣的良好催化劑。在此過程中，不存在對環(huán)境無害的副產(chǎn)品。”

甲烷蒸汽重整- -在釋放CO的結(jié)果產(chǎn)生氫的當(dāng)前工業(yè)方法2到大氣中。其他方法利用廢熱，例如來自先進(jìn)核電廠或集中太陽能的廢熱，這兩者都面臨商業(yè)上可行的技術(shù)挑戰(zhàn)。另一種工業(yè)過程使用鉑作為催化劑來驅(qū)動水分解過程。盡管鉑是近乎完美的催化劑，但它也很昂貴。較便宜的催化劑可以使氫成為運輸中化石燃料的合理替代品，并為能量儲存應(yīng)用提供動力燃料電池。

“二硫化鉬(MoS2)已被預(yù)測為鉑的可能替代品，因為吸收吉布斯的自由能接近于零，”賓夕法尼亞州物理，材料科學(xué)與工程和化學(xué)教授Mauricio Terrones說。吉布斯自由能越低，產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)所需的外部能量就越少。

然而，實驗上，使用MoS 2作為催化劑存在缺點。在穩(wěn)定階段，MoS2是一種半導(dǎo)體，它限制了它傳導(dǎo)電子的能力。為了解決這個問題，該團(tuán)隊添加了還原的氧化石墨烯，一種高導(dǎo)電性的碳。然后，為了進(jìn)一步降低自由能，他們將MoS2與鎢合金化，形成具有交替的石墨烯和鎢 - 二硫化鉬層的薄膜。鎢的添加降低了將水分解為一半所需的電壓，從使用純MoS2的200毫伏，到使用鎢鉬合金的96毫伏。

水分解過程使用非常少量的電能施加到浸入水中的電極。利用這個小電位，溶液中的質(zhì)子可以被吸收到催化劑的表面上。然后兩個質(zhì)子將一起遷移形成氫氣泡，該氣泡上升到表面并釋放氫氣。

從理論的角度來看，電子軌道起著至關(guān)重要的作用。在純MoS2的情況下，來自金屬的軌道在關(guān)鍵反應(yīng)步驟中與氫的軌道不能很好地重疊; 然而，當(dāng)合金存在時，這些軌道相互作用很好并使反應(yīng)更有效。這類似于鉑的作用，以及鉑在這種化學(xué)反應(yīng)中如此節(jié)能的原因。然而，在這項工作中，研究人員表明，可以使用更便宜和更豐富的元素，并達(dá)到優(yōu)于所有最佳催化劑的效率。

“在這些合金中發(fā)生的是軌道的精確重疊，這使得反應(yīng)更加有效。這在純組件中沒有觀察到。這是混合物比純組分更好的例子，”Jose L. Mendoza-Cortes說。 ，佛羅里達(dá)州的化學(xué)工程，材料科學(xué)與工程和科學(xué)計算教授。

氫燃料電池不僅可以提高運輸領(lǐng)域的清潔能源經(jīng)濟(jì)，其中快速加油和車輛范圍超過電池供電的車輛，而且還可以存儲太陽能和風(fēng)能產(chǎn)生的電能。這項工作是實現(xiàn)這一目標(biāo)的又一步。