Advanced Materials:清洁的水、氮循环推进能源与环境可持续发展

纵观世界能源发展史,远古时代人类对能源的需求全部来自于太阳辐射所带来的光和热,钻木取火实现能源转化,人类开始进入漫长的“柴薪时代”,蒸汽机的发明推动了人类能源的第一次重大变革步入“煤炭时代”,随着电磁感应现象的发现,世界逐步跨入“电气时代”,内燃机的发明引发人类能源的第二次重大变革进入全面爆发的“石油时代”。然而,地球中传统化石燃料的储量有限并将逐渐枯竭,且其大量燃烧引发了全球气候变暖、两极冰川融化和极端天气突增等一系列环境问题。这就迫切需要寻求清洁可持续的能源来实现“新能源时代”的蓬勃发展。水和氮气作为地球中富含的自然资源,对其合理利用来构建新型的能源转化利用模式,将会为能源与环境的可持续发展添砖添瓦。

近日,美国纽约州立大学布法罗分校武刚团队提出可通过电解水产氢、电化学合成氨和燃料电池技术实现清洁、可持续的水、氮循环,为促进能源与环境的可持续发展提供了新思路。

要点一:文中介绍利用可再生的太阳能、风能和水能发电,通过电解水产生氢气、利用氮气和水通过电化学合成氨气,所产生的氢气和氨气可作为燃料直接用于燃料电池发电,供机动车辆和居民用电等,且最终产物仍是氮气和水。

要点二:文中主要介绍了电解水产氢、质子交换膜燃料电池(PEMFC)、电化学合成氨和直接氨燃料电池(DAFC)中涉及的关键催化反应,包括析氧反应(OER)、氧还原反应(ORR)、氮还原反应(NRR)和氨氧化反应(AOR)。文中按照催化机理、贵金属(PGM)催化剂、非贵金属(PGM-free)催化剂和膜电极(MEA)性能的顺序逐一介绍以上四种催化反应,结合实例分析催化剂的设计与合成策略、活性增强机理、稳定性变化的原因等,并指出了提高催化剂活性和稳定性的可行性策略。

要点三:文中指出有序结构的PtM合金纳米颗粒(即金属间化合物纳米颗粒)和单原子催化剂(SAC)被认为是目前最具前景的催化剂材料,精确控制原子结构、调控表面电子状态、形貌以及制备工艺是提高PGM催化剂活性的关键,而调节单原子的配位环境、强化金属载体间的相互作用和提高活性位点的密度是增强SAC催化剂活性的关键。

要点四:这些新能源器件需要在苛刻的氧化或还原实际运行条件下工作,涉及催化剂、电解液和反应气体三相界面复杂的反应过程,文章指出将催化剂研究与膜电极组装(MEA)技术发展结合在一起,深入探讨反应中所涉及的气体扩散、电荷转移和质子传输等关键科学问题。

要点五:文章最后总结了这四种新能源器件和四种关键催化反应所使用的催化剂材料在未来发展中面临的机遇和挑战。