发现用于氢气净化的较便宜的低温催化剂

2019-04-15 09:38:29
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来自塔夫茨大学,威斯康星大学麦迪逊分校和哈佛大学的工程研究人员证明了原子分散的铂催化剂的低温效率,这种催化剂可能适用于未来燃料电池驱动车辆的车载氢气生产。

作为铜的替代品,其在某些条件下可自发点燃,铂基催化剂具有高活性和稳定性。研究人员对新催化剂的结构和功能的理解可以帮助制造商在标准的廉价载体金属氧化物上设计出高效但成本较低的催化剂。

塔夫茨大学工程学院化学与生物工程学教授Maria Flytzani-Stephanopoulos和UW-Madison化学与生物工程教授Manos Mavrikakis领导的研究小组于2010年9月24日发表了研究结果的杂志科学。

地球上只有少量的氢气自然产生 - 然而,根据美国能源部的数据,该国对氢气的需求量每年约为900万吨。

制造商通过天然气的蒸汽重整产生约95%的氢,这是一种催化过程,其中蒸汽与甲烷反应产生一氧化碳和氢气。该混合物被称为合成气或合成气,并且是合成燃料,氨和甲醇以及其他化合物的生产方法中的中间体。

氢的另一个应用是用于氢经济的燃料,旨在利用高能量密度的氢作为更清洁的能源,特别是用于包括车辆在内的低温燃料电池供电设备。

燃料电池使用电化学过程将氢和氧转化为水,产生为电动机提供动力的直流电。燃料电池车辆需要高纯度的氢气,其通过水煤气变换反应产生。该关键步骤从通过诸如天然气的化石燃料的蒸汽重整产生的氢中去除“残留的”一氧化碳。水煤气变换催化剂通过从水分子中收集氢来减少氢气中的一氧化碳量并增加氢气含量。

目前工业上用于氢气净化的催化剂是铜基的,负载在氧化锌和氧化铝上。因为铜是自燃的(它暴露在空气中会自燃;燃料电池运行中的空气比较常见),研究人员认为铂是替代品。然而,铂金价格昂贵,Flytzani-Stephanopoulos说,研究人员必须在非常细小的颗粒上制备非常细小的颗粒,例如稀土氧化物二氧化铈,这使得它有效地用于低温水煤气变换反应。

然而,虽然铈是稀土元素中含量最多的元素,但这种天然丰度仅发生在世界上的几个地方,并且,Mavrikakis说,由于各种原因,包括地缘政治因素,它的获取可能受到限制。

塔夫茨大学的研究人员最初发现钠改善了水煤气变换反应中的铂活性,现在可以在低温下进行,即使是在二氧化硅等惰性材料上也是如此。他们进行了详细的结构研究,发现表面上有额外的活性氧,有助于铂完成反应循环。他们还发现钠离子或钾离子有助于稳定催化位点。

在后来的实验中,他们看到它们的催化剂和二氧化铈上的铂一样好。哈佛大学的合作者David Bell使用原子分辨率电子显微镜观察二氧化硅载体上稳定的铂簇和原子 - 目测确认新催化剂的运行方式与二氧化铈载体上的相似。

Mavrikakis的团队着手了解原因。研究人员利用强大的计算资源,包括UW-Madison信息技术部和高通量计算中心,以及超快速10G数据网络,逐个原子地模拟新催化剂。“没有实验方法你可以看到工作中的原子' - 也就是说,当反应正在发生时,”Mavrikakis说。“你需要开始谈论单个原子,你可以用最高分辨率的电子显微镜看到 - 但不能在反应过程中看到。所以你只能建议也许这些原子是活跃的,

尽管铂是最昂贵的催化材料之一,但新催化剂仅含有微量的铂,但在低温下仍然坚固且有效。基本上,其结构是一系列小的“簇”,其仅包含几个原子,每个原子具有特定的排列。每个簇由一个或几个铂原子组成,被氧,羟基和钾原子的混合物包围,并“固定”在标准铝或二氧化硅载体上。

研究人员表示,这一进步很重要,因为通过实验和第一原理理论的结合,这项工作揭示了一种特殊的,非常重要的化学反应的新型活性位点。“大多数时候,人们很高兴地说,'好吧,我们找到了一种材料。它适用于特定应用,'”Mavrikakis说。

在这种情况下,Flytzani-Stephanopoulos说,该团队采取了下一步措施来确定催化剂的工作原理和原因。“如果我们想用更便宜的材料进行下一阶段的特定化学转化,我们需要了解基本面,”她说。

该论文的其他作者包括威斯康星大学麦迪逊分校博士后郭文鹏,博士生杰夫赫伦,以及当时的博士生(现为校友)彼得费伦和阿南德尼尔卡; 塔夫斯大学研究教授霍华德萨尔茨堡博士,博士后研究员芮思,博士生闫平平和前博士生邓伟玲,以及硕士生丹尼皮埃尔。

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