美国研究出生物质催化剂 可提高能源转化率

发布时间：2026-06-01 23:17:18 来源：避祸就福网 作者：娱乐

　　：即将在《能源和环境科学》下一期刊印的美国一篇论文中，美国能源部Brookhaven国家实验室的研究研究员将介绍一种低成本、稳定、出生催化有效的物质催化剂，可以取代氢气生产中成本高昂的提高铂。这种催化剂由可再生大豆和大量钼金属制成，转化能够以环境友好、美国经济高效的研究方式生产氢气，可潜在地提高氢气这种清洁能源的出生催化使用率。

　　该研究在Brookhaven化学家Wei-FuChen的物质指导以及JamesMuckerman、EtsukoFujita和KotaroSasaki的提高带领下进行，已得到参与该研究的转化高中学生Shilpa和ShwetaIyer的极高赞誉。

　　Muckerman表示：“论文报告从该研究项目的美国‘硬科学’开始说起，结论是研究这一氢气催化剂性能最佳、不含任何贵金属，出生催化甚至比块状铂金属更优”。

　　该项目从Brookhaven小组的研究延伸到使用日光来研发替代燃料。其最终目标是找到能够直接使用太阳能，或通过太阳能电池产生的电能将碳氢化合物燃烧、水和二氧化碳的最终产物转化为碳基燃料的方法。这一过程被称为“人造光合作用”，模拟植物将同样材料转化为能量（糖类）的过程。其中一个关键步骤是拆分水或水电解。

　　Sasaki解释说：“通过将液态水(H₂O)拆分为氢原子和氧原子，然后可以将氢原子再生为气体(H₂)并直接用作燃料。我们从储量丰富的材料中寻求一种商业可行的催化剂用于水电解，结果确实让人惊叹”。

　　这种氢气生产方式可以帮助科学家实现其最终目标。

　　Brookhaven化学部人造光合作用小组组长Fujita认为，通过使用太阳能产生的氢气氢化二氧化碳（或一氧化碳）来生产含碳燃料，这种方法的前景非常光明。

　　但在目前最有效的水拆分过程中，将铂用作主要的催化剂材料成本太高，经济上不可行。

　　通过证明低成本钼与碳相配对有潜在效益的试验，以及使用氮提供质子交换膜水电解单元中所需的耐腐蚀、酸性环境，Brookhaven团队已确定一些有用的线索。

　　学生们首先寻找丰富且低廉的碳、氮来源，然后将它们与钼盐放在一起做化合测试。

　　据Chen叙述，听说要使用日常生活中的类似材料来解决现实能源问题，学生们感到很兴奋。该团队测试了大量来源，包括生物质叶子、茎、花朵和豆科植物，特别是高蛋白质物质，因为组成蛋白质的氨基酸是氮的丰富来源。高蛋白大豆被证实效果最佳。

　　制作催化剂的过程是：首先将大豆研磨成粉末，在水中将粉末与钼酸铵混合，然后在惰性氩气环境中对样品进行干燥和加热处理。Chen解释说：“随后的高温处理（渗碳）诱导钼和大豆中的碳、氮成分发生反应，生成碳化钼和氮化钼。这一过程非常简单、经济，且对环境无害”。

　　单独材料的电化学测试显示，碳化钼用于将H₂O转化为H₂很有效，但在酸性溶液中不稳定；氮化钼具有耐腐蚀性，但用于氢气生产效率不高。但这两种材料的纳米结构混合物却很活跃、稳定，即使在高酸性环境下测试500小时后也是如此。

　　研究人员将钼-大豆催化剂(MoSoy)的高活性归功于复合材料中碳化钼阶段和氮化钼阶段的协同效应。

　　论文还介绍了在Brookhaven的国家同步光源(NSLS)实验室和功能性纳米材料中心(CFN)对新催化剂进行的结构和化学研究，并进一步提供这一新型催化剂的高性能细节。

　　“在起催化作用的钼中心附近，如果存在氮原子和碳原子，可以促进从水中分离氢气的反应过程”，Muckerman说。

　　科学家还将MoSoy催化剂固定在石墨片进行测试，该方法已被证实可在电化学设备（例如电池、电容器、燃料电池和水电解器）中改善催化剂性能。利用高分辨率传输显微镜，科学家可以观察被固定在2D石墨片上的MoSoy纳米晶体。

　　在性能方面，固定在石墨片上的MoSoy催化剂超越了纯铂金属。虽然不如后者活跃，MoSoy的高性能已大大激励了人们的士气。

　　Sasaki解释说：“MoSoy纳米晶体在石墨片上直接生长可以增加强对偶混合材料与亲和、无缝电子传输通路的形成，从而加快来自催化剂的氢气的化学解吸附电子传输速率，进而减少化学反应所需的能量”。

　　科学家目前正在进行一些附加的研究，以便更深入地了解催化剂与石墨的反应本质，探索进一步提升其性能的方式。

　　在论文中，作者还附上了两个学生的结论：“该研究明确论证了通过可控固态反应，可以将钼等廉价、储量丰富的金属转化为催化剂。MoSoy催化剂的制备非常简单且可轻易扩大。其长期耐久性和超低资金成本可满足其用于大型设备的先决条件。这些发现打开了利用廉价生物质和过渡金属，来生产电催化反应催化剂的新前景”。(译文/Viki)

相关文章