研究人员使用明胶制备功能强大的新型氢燃料催化剂

二维金属碳化物会引发反应，将水分解成氧气和有价值的氢气。伯克利大学的研究人员发现了一种简单的新方法来烹饪这些纳米级薄板，几乎与用盒子制成Jell-O一样简单。（Zining Zang图形，Wiley版权所有）

由加利福尼亚大学伯克利分校的研究人员开发的一种廉价而有效的新型催化剂，可以像铂一样高效地从水中产生氢燃料，而铂是目前最好的，但也是最昂贵的水分解催化剂。

该催化剂由纳米薄的金属碳化物片组成，是使用自组装工艺制造的，该工艺依赖于令人惊讶的成分：明胶，这种材料使Jell-O轻而易举。

加州大学伯克利分校机械工程学教授，资深作者林立伟说：“铂金价格昂贵，因此希望找到其他替代材料来代替它。”“我们实际上使用的是类似于Jell-O的东西，您可以将其作为基础食用，并将其与一些丰富的土壤元素混合在一起，以制造出用于重要催化反应的廉价新材料。”

这项工作发表在12月13日的《先进材料》杂志印刷版上。

放大后，二维金属碳化物类似于片状纤维素。（Zining Zang的照片，Wiley版权所有）

瞬间的电会破坏将水分子束缚在一起的牢固键，从而产生氧气和氢气，后者是为氢燃料电池供电的极其有价值的能源。氢气还可以用于帮助存储可再生但间歇性能源（例如太阳能和风能）中的能量，这些能源在阳光普照或风吹时会产生多余的电能，但在下雨天或平静的日子里会处于休眠状态。

但是，仅将电极粘在一杯水中是产生氢气的极其无效的方法。在过去的20年中，科学家一直在寻找可加速该反应的催化剂，使其可大规模应用。

“使用水煤气产生氢的传统方法仍然在工业中占主导地位。然而，这种方法产生的二氧化碳是副产物。”第一作者Z西宁说，他是加州大学伯克利分校机械工程专业的研究生，并进行了这项研究。“随着全球对减少排放的需求，电催化制氢在过去十年中正在增长。开发一种高效，低成本的电水解催化剂将带来深远的技术，经济和社会效益。”

为了制造催化剂，研究人员遵循了几乎与用盒子制成Jell-O一样简单的配方。他们将明胶和金属离子（钼，钨或钴）与水混合，然后使混合物干燥。

Lin说：“我们认为，随着明胶变干，它会一层一层地自我组装。”“金属离子由明胶携带，因此，当明胶自组装时，您的金属离子也被排列在这些平坦的层中，这些平坦的薄片使Jell-O拥有独特的镜面状表面。”

将混合物加热到600摄氏度会触发金属离子与明胶中的碳原子反应，从而形成大的纳米级薄金属碳化物片。未反应的明胶燃烧掉。

研究人员通过将催化剂放在水中并让电流流过它们来测试催化剂的效率。当彼此叠置时，碳化钼最有效地分解水，其次是碳化钨，然后是碳化钴，碳化钨和碳化钴没有形成薄层，而其他两个都没有。将钼离子与少量钴混合可以进一步提高性能。

林说：“其他形式的碳化物有可能提供更好的性能。”

明胶中的分子自然会在平板中自组装，并携带金属离子（左图）。将混合物加热到600摄氏度，将明胶烧掉，剩下纳米薄的金属碳化物片。（Zining Zang插图，版权为Wiley）

催化剂的二维形状是其如此成功的原因之一。这是因为水必须与催化剂的表面接触才能完成其工作，并且片材的大表面积意味着金属碳化物的重量极其有效。

研究人员说，由于该配方非常简单，因此可以很容易地按比例放大以生产大量催化剂。

Lin说：“我们发现该性能非常接近由铂和碳制成的最佳催化剂，这是该领域的黄金标准。”“这意味着我们可以用我们的材料代替非常昂贵的铂金，这种材料是通过非常可扩展的制造工艺制成的。”

这项研究的共同作者是加州大学伯克利分校的杨路杰，李步轩和魏民松，劳伦斯伯克利国家实验室的J. Nathan Hohman和朱晨辉；上海交通大学陈文枢，顾家军；深圳学院的邹晓龙和梁佳明；以及美国陆军RDECOM AMRDEC的Mohan Sanghasadasa。

这项研究得到了美国能源部伯克利传感器和执行器中心，科学办公室，基础能源科学办公室的支持（DE-AC02-05CH11231，DE-AC02-05CH11231和DE-AC02-05CH11231）和Youth 1000 -中国人才计划，深圳市发改委。

出版物：Zining Zang等人，“用于氢气电催化的大面积2D多晶过渡金属碳化物的自组装”，《先进材料》，2018年； doi：10.1002 / adma.201805188