化学家已经生产出一种基于激光诱导的石墨烯的催化剂

2019-10-20 17:01:00

赖斯大学的化学家已经生产出一种基于激光诱导的石墨烯的催化剂,该催化剂将水在一侧分解为氢,在另一侧分解为氧。他们说,这种廉价的材料可能是生产用于未来燃料电池的氢的实用成分。

化学家James Tour的Rice实验室开发的易于制造的材料提供了一种强大而有效的方法来存储化学能。试验表明,稀薄的催化剂同时在任一侧产生大的氧气和氢气气泡。

该过程是《美国化学学会》的《应用材料和界面》的论文主题。

托尔说:“目前,氢气是通过将天然气转化为二氧化碳和氢气的混合物制得的。” “因此,每两个氢分子就会形成一个二氧化碳分子,使这种传统过程成为温室气体排放者。

他说:“但是,如果人们利用催化系统和风能或太阳能产生的水将水分解为氢和氧,那么所提供的氢完全是可再生的。” “一旦在燃料电池中使用,它便会转化为水而无其他排放物。而且燃料电池的效率通常是内燃机的两倍,从而进一步节省了能源。”

该催化剂是莱斯在2014年推出的多功能激光诱导石墨烯(LIG)的另一种用途。LIG是通过用激光处理聚酰亚胺(一种便宜的塑料)的表面制成的。LIG不是一种六边形碳原子的扁平片,而是一种石墨烯片的泡沫,其一个边缘附着在下面的表面上,而化学活性边缘则暴露在空气中。

LIG本身是惰性的,因此将其变成分水器需要更多步骤。首先,实验室将注有塑料的一侧浸入水中,用铂金颗粒从水中吸出氢气。然后实验室使用激光加热表面并制作LIG。莱斯的研究生和论文的主要作者张继波说,莱斯的材料仅使用商业催化剂中发现的铂的四分之一。

为了放出氧气,另一面首先变成LIG,然后通过电化学沉积用镍和铁增强。双方都显示出低的启动电位(开始反应所需的电压)和超过1,000次循环的强劲性能。

实验室提出了另一种变化形式:将聚酰亚胺与钴和磷一起制成LIG催化剂,可以取代铂或镍-铁的两面来产生氢或氧。图尔说,尽管低成本材料可以通过消除昂贵的贵金属而受益,但它却牺牲了一些氢气产生效率。

当配置有用于氢释放的钴磷和用于氧的镍铁时,该催化剂在1.66伏特下的电流密度为10毫安/平方厘米。可以将其在1.9伏特下提高到每平方厘米400毫安,而不会降低材料的性能。电流密度决定化学反应的速率。

Tour说,增强型LIG的水分解性能可与许多当前系统媲美,并且通常比许多现有系统更好,并且其固有的氧气和氢气产品分离器具有优势。他指出,将其作为化学存储来自遥远的太阳能或风力发电厂的能量的一种方法可能会很有用,否则该能量会在传输中丢失。

他说,这种材料也可能成为有效的二氧化碳或氧气还原电催化平台的基础。

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