美國能源部的布魯克黑文國家實驗室(BNL)和紐約石溪大學(SBU)等機構合作的研究,發現了生產氫氣所用的催化劑內鉑金(platinum)用途的根本所在,有助於減少催化劑內鉑金的用量而降低成本。

一種產生氫氣的方法是把一氧化碳和水,在催化劑的作用下,變成二氧化碳和氫氣。這是生產和淨化氫氣,用於潔淨能源汽車電池、生產碳氫化合物等多種用途所需的一個重要步驟。鉑金是催化劑的重要成份。

鉑金成本較高。這份新研究發現了催化劑作用過程的關鍵所在,將減少鉑金的用量。

這項研究的主要研究員李媛媛(Yuanyuan Li,音譯)說:「部份困難在於催化劑有著非常複雜的結構。催化劑由鉑金納米粒子( 聚在一堆的鉑金原子)附著在氧化鈰的表面組成。一些鉑金原子位於納米粒子的表面,一些位於內核;一些位於納米粒子和鈰的接觸面上,一些位於接觸面的外圍邊界。原子所處位置的不同和它們在表面分佈的方式,導致一些原子是暴露的,另一些不是,這都影響著鉑金原子與氣體分子的互動。」

以前的實驗對於化學反應究竟是發生於納米粒子還是單個的鉑金原子上,反應的地點究竟帶有正電荷還是負電荷,得出了矛盾的結果。「我們想解決這些問題。為了找到反應的地點並了解反應過程,最好能夠從原子層面研究這種催化劑。」

研究人員使用多種技術觀察微觀下的反應過程。「我們發現只有在納米粒子和鈰交界處外圍的鉑金原子才提供催化活動。這些反應點的動態特性促使一氧化碳從水裏獲得氧成為二氧化碳,水分子失去氧成為氫氣。」

李媛媛說:「我們想當然地以為所有位於接觸面的鉑金原子都參與了作用,其實不是。我們不需要所有的鉑金原子,只需要參與作用的那一部份。這有助於我們除去不必要的原子,降低催化劑的成本。我們認為這個機制對其它使用催化劑進行反應的系統也適用。」

這份研究2 月10 日發表於《自然‧通訊》(Nature Communications)期刊。◇