节约铂金属

 

在碳化钨载体的表面沉积单层的铂原子,便可以有效地催化氢的电解过程。 

 

氢是未来最具前景的燃料之一。无论是利用风能还是太阳能,电解水都是生产氢而不释放二氧化碳的最佳方法。而氢催化剂(通常是铂)的特征和性能对于电催化系统的效率和成本来说至关重要。目前,University of Delaware (美国)的Jingguang G. Chen教授及其团队发明了一种在不降低效率的前提下节约铂的方法: 他们将单层铂原子沉积到廉价的碳化钨载体上。 

只有在阳极或者电池的阴极存在有高效的催化剂时,水解氢的过程才能高效地进行。由于铂金属具有很高的活性,所以是作为催化剂的理想材料——但是铂的价格确非常昂贵,目前大约52美元每克。Chen教授解释说“铂高昂的价格和稀缺性是实现大规模电解制氢的最大障碍。” 

目前,将铂原子沉积到载体上的方法并不是很有效。铂原子经常会进入多孔载体的孔道内部,不能有效地参与反应。Chen教授说,“我们的目标是将单层的铂原子沉积到一个廉价的平面载体上,这样所有铂原子都能够参与反应。” 

这种方法的问题在于,如果将单层金属原子沉积到载体表面,这些原子会与载体发生作用。导致单个原子的间距与纯金属的原子间距不同,这样的差异又会影响到原子的电子结构。此外,铂原子与载体原子之间的作用也会对性能产生影响。这些会极大地破坏铂的催化活性。 

Chen教授的研究小组选择了碳化钨作为载体。这种材料价格低廉而且与铂的性能相近。他们在钨衬底上首先沉积碳化钨的薄膜,然后利用气相沉积加入铂原子。由于碳化钨载体上单层铂原子的化学与电子性能与纯铂中的原子差别很小,所以获得的铂原子的催化效率也很高。 

“碳化钨是铂原子的最佳载体,” Chen教授说。“我们有可能大量地减少铂在电解水以及其它铂催化过程中得用量,这将大大地降低成本。” 

J. G. Chen et al., Angew. Chem. Int. Ed., DOI: 10.1002/anie.201004718