莱斯和休斯顿大学开发制氢催化剂

据外国媒体报道：莱斯大学和休斯敦大学的科学家开发了一种新型催化剂，它可以简化将水分解成氢气和氧气的过程，以产生清洁能源。

他们的成果发表在了Nano Energy上，论文的主题是鲁棒性良好的催化剂材料。

这一新型电解质薄膜在莱斯大学生产，并在休斯顿大学测试，它是由镍，石墨烯和铁，锰以及磷化合物构成的三层结构。其中，泡沫镍给予膜较大的表面，导电石墨烯保护镍不会降解，金属磷化物进行反应。新催化剂是建立在研究人员在2017年早些时候发表的简易氧气生成催化剂的基础之上的，在之前的工作中，团队直接在半导体纳米棒阵列上增加了催化剂，利用太阳能的能量将水分解。

莱斯大学化学家Kenton Whitmire和休斯敦大学电气与计算机工程师Jiming Bao及他们的实验室开发了这种薄片，克服了以往催化剂不能同时催化氢气和氧气生成的缺点。

Whitmire表示，常规金属在催化过程中有时会氧化，因为反应通常在酸中进行析氢反应，在碱中进行析氧反应，而新型材料的优点之一就是无论在酸性还是碱性环境中都是十分稳定的。

新的催化剂也需要更少的能源，在制氢过程中，需要输入能量，制造单位质量的氢气所需的能量越多，则其商业上的可行性就越差。而新材料的好处是可以尽可能少的投入能量用于产氢：通过新的催化剂，触发电催化所需的超电势相较于其他催化剂变得很小。

石墨烯是碳的原子厚度级别形式，它是保护底层镍的关键。团队在化学气相沉积（CVD）炉中的镍泡沫上形成1至3层石墨烯，并且还通过CVD和单一前体将铁，锰和磷加在其上。Bao的实验室测试比较了中间的镍泡沫和无石墨烯的磷化物，发现导电石墨烯降低了氢和氧反应的电荷转移电阻。莱斯大学研究生、本文的合作作者Desmond Schipper表示，镍是制造石墨烯的最佳催化剂之一，从本质上说，团队是使用锰来帮助改善镍，同时锰还增加了一定程度的保护。

Whitmire表示，该材料具有可扩展性，应用于产生氢气和氧气的行业，也可用于可以用于存储太阳能和风能产生的过剩电力。团队的方法可广泛应用于大量用于催化剂的金属磷化物材料，不仅仅是用于水分解，而是用于一系列事情。一个关键因素是该方法能够制作出具有不同成分的纯相材料。目前，人们对表面上的相位几乎没有控制，在许多情况下，它们混合在一起，这样的话，不能分辨出某个过程中是哪种材料在起作用。而通过莱斯大学团队的方法，就可以区分出每个过程。

本成果的合作领导作者还有休斯顿大学的和中国电子科技大学的Zhenhuan Zhao，合作作者还有：莱斯大学的Andrew Leitner, Jing-Han Chen 和 Zhiming Wang，以及休斯顿大学的Hari Thirumalai, Lixin Xie, Fan Qin, Kamrul Alam, Lars Grabow, Shuo Chen, Dezhi Wang and Zhifeng Ren。

本研究由国家科学基金会（NSF）和罗伯特·韦尔奇基金会提供资金支持，计算资源由休斯顿大学uHPC cluster，它是是NSF支持的极限科学与工程开发环境，也是科学能源部科学国家能源研究科学计算中心。