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美國(guó)加州大學(xué)圣克魯斯分校研制了一種納米結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，在催化水的電化學(xué)裂解生產(chǎn)氫氣方面顯示出令人印象深刻的性能。高效、低成本的催化劑對(duì)于實(shí)現(xiàn)氫作為清潔、環(huán)保燃料的承諾至關(guān)重要。

加州大學(xué)圣克魯斯分校的化學(xué)和生物化學(xué)教授Shaowei Chen教授領(lǐng)導(dǎo)的研究人員一直在研究碳基納米結(jié)構(gòu)材料的使用，用于從水中產(chǎn)生氫氣的反應(yīng)。在近的一項(xiàng)研究中，他們通過(guò)將釕離子注入由氮化碳組成的片狀納米結(jié)構(gòu)中取得了很好的結(jié)果。將釕摻雜的氮化碳與石墨烯（一種片狀碳的形式）結(jié)合形成層狀復(fù)合材料，進(jìn)一步提高了性能。

“在這些納米材料中，釕與氮的結(jié)合化學(xué)對(duì)于高催化性能起著關(guān)鍵作用，”Chen說(shuō)。“我們還證明了催化劑的穩(wěn)定性是很好的。”

這項(xiàng)新發(fā)現(xiàn)發(fā)表在《化學(xué)》雜志上，該雜志是關(guān)于可持續(xù)化學(xué)和能源材料的頂級(jí)雜志，文章刊登在1月10日的封面上。第一作者Yi Peng是Chen的實(shí)驗(yàn)室的一名研究生，他領(lǐng)導(dǎo)了這項(xiàng)研究并設(shè)計(jì)了封面圖片。

氫作為一種清潔和可再生的燃料，長(zhǎng)期以來(lái)一直具有吸引力。例如，為電動(dòng)汽車供電的氫燃料電池只能排放水蒸氣。然而，目前的氫生產(chǎn)仍然嚴(yán)重依賴于化石燃料（主要是利用蒸汽從天然氣中提取）。尋找一種低成本、高效的方法，通過(guò)電解從水中提取氫氣，將是一個(gè)重大突破。太陽(yáng)能和風(fēng)能等可再生資源產(chǎn)生的電力可能是間歇性的和不可靠的，因此可以很容易地作為氫燃料儲(chǔ)存和分配。

目前，從水中產(chǎn)生氫氣的電化學(xué)反應(yīng)有效的催化劑是以稀缺且昂貴的鉑為基礎(chǔ)的。碳基材料已顯示出良好的前景，但其性能還沒(méi)有接近于鉑基催化劑。

在Chen的實(shí)驗(yàn)室研制的新型復(fù)合材料中，嵌入在氮化碳納米片中的釕離子改變了基體中電子的分布，為質(zhì)子與氫的結(jié)合創(chuàng)造了更活躍的位置。在結(jié)構(gòu)中加入石墨烯進(jìn)一步增強(qiáng)了電子的再分布。

“石墨烯與氮化碳納米片形成夾層結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致電子的進(jìn)一步再分布。這給了我們更大的質(zhì)子還原效率，”Chen說(shuō)。

作者報(bào)道，該復(fù)合材料的電催化性能可與商用鉑催化劑相媲美。然而，Chen教授指出，要實(shí)現(xiàn)廉價(jià)高效的氫氣生產(chǎn)，研究人員還有很長(zhǎng)的路要走。

除了Peng和Chen，該研究的合著者還包括來(lái)自加州大學(xué)圣克魯斯分校的Wanzhang Pan和Jia-En Liu,還有來(lái)自華南理工大學(xué)的Nan Wang。這項(xiàng)工作得到了美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)和美國(guó)航天局資助的Merced納米材料能源和傳感中心的支持。

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