开发的新材料有助于清洁能源革命

廉价且高效的燃料电池和水电解器将构成以氢燃料为基础的经济的基石，这是最有前途的清洁和可持续的化石燃料替代品之一。这些设备依靠称为电催化剂的材料工作，因此开发高效且低成本的催化剂对于使氢燃料成为可行的替代品至关重要。阿尔托大学的研究人员开发了一种新的催化剂材料来改进这些技术。

氧还原反应 (ORR) 和析氧反应 (OER) 是限制氢燃料电池(用于驱动车辆和发电)、水电解槽(用于清洁制氢)和高容量电池效率的最重要的电化学反应。金属空气电池。Aalto 的物理学家和化学家与法国 CNRS 和奥地利维也纳的研究人员合作开发了一种新催化剂，该催化剂比目前可用的其他双功能催化剂更有效地驱动这些反应。研究人员还发现，他们的新催化剂的电催化活性可以根据催化剂沉积材料的选择而显着改变。

“我们希望用由过渡金属、碳和氮等廉价和地球丰富的元素组成的高活性和稳定的替代品来取代传统的昂贵和稀缺的基于铂和铱等贵金属的催化剂。”阿尔托的研究员 Mohammad Tavakkoli 博士说，他领导了这项工作并撰写了这篇论文。

与 CNRS 合作，该团队生产了一种高度多孔的石墨烯-碳纳米管混合物，并在其上掺杂了其他已知可制造良好催化剂的元素的单个原子。石墨烯和碳纳米管 (CNT) 分别是碳的单原子厚二维和一维同素异形体，由于与传统材料相比具有突出的特性，它们在学术界和工业界都引起了极大的兴趣。他们开发了一种简单且可扩展的方法来同时生长这些纳米材料，将它们的特性结合在一个产品中。“我们是世界上可扩展合成双壁碳纳米管的领先团队之一。这里的创新是修改我们的制造工艺以制备这些独特的样品，”CNRS 研究主任 Emmanuel Flahut 博士说。

在这一一步过程中，他们还可以在石墨烯中掺杂氮和/或金属(钴和钼)单原子，作为生产单原子催化剂(SAC)的一种有前途的策略。在催化科学中，分离金属原子分散在固体载体上的 SACs 新领域因其最大的原子利用效率和 SACs 的独特性质而引起了广泛的研究关注。与制造 SAC 的竞争对手策略相比，Aalto & CNRS 团队使用的方法提供了一种简单的方法，一步即可完成，降低了成本。

催化剂通常沉积在底层基材上。这种底物对催化剂最终反应性的作用通常被研究人员忽略，但对于这种新催化剂，研究人员发现底物在其效率中发挥了重要作用。研究小组发现，他们材料的多孔结构允许接触在其与基材界面处形成的更多活性催化剂位点，因此他们开发了一种新的显微镜分析方法来测量如何改变该界面以生产最有效的催化剂。他们希望他们对底物对多孔材料催化活性影响的研究能够为电化学能源设备的高性能电极的合理设计奠定基础，并为未来的研究提供指导。