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氫氣是一種可持續(xù)的清潔能源，氫的存儲和運輸技術(shù)彌合了可持續(xù)能源生產(chǎn)和燃料使用之間的差距，因此是可行的氫經(jīng)濟的重要組成部分。但是傳統(tǒng)的存儲和運輸方式價格昂貴并且容易受到污染。為此，科學(xué)家在尋找可靠、低成本和簡單的替代技術(shù)。效率更高的氫氣輸送系統(tǒng)將使許多應(yīng)用受益，例如固定電源、便攜式電源和移動車輛行業(yè)。
發(fā)表在《美國國家科學(xué)院院刊》上一篇論文表明，研究人員設(shè)計并合成了一種有效的材料，可以加快從醇中提取氫的限制步驟之一。這種材料是一種催化劑，是由固定在2-D襯底上的微小鎳金屬簇制成的。
論文第一作者張卓雷（Zhuolei Zhang）畢業(yè)于吉林大學(xué)，現(xiàn)為伯克利國家實驗室分子鑄造研究所的博士后研究員，論文作者中還包括其他五位中國學(xué)者。
該研究發(fā)現(xiàn)，該催化劑可以清潔有效地加速從液態(tài)化學(xué)載體中除去氫原子的反應(yīng)。這種材料堅固耐用，是由富含地球的金屬制成的，而不是由貴金屬制成的現(xiàn)有選擇，它將有助于使氫成為廣泛應(yīng)用中的可行能源。如圖所示帶有缺陷的2D氮化硼襯底，該缺陷包含微小的鎳團簇。催化劑有助于從液體化學(xué)載體中除去氫的化學(xué)反應(yīng)，使其可用作燃料。
論文主導(dǎo)、杰夫·厄本（Jeff Urban）表示：“對于一種重要的可再生能源燃料，我們在此不僅展示了一種比我們測試過的其他鎳催化劑更高的活性的催化劑，而且還提出了在各種反應(yīng)中使用可承受的金屬的更廣泛的策略?！?/p>
用作催化劑的化學(xué)化合物通常用于提高化學(xué)反應(yīng)的速度而無需消耗化合物本身，它們可能將特定分子保持在穩(wěn)定的位置，或充當中間體使重要的步驟可靠地完成。對于由液體載體產(chǎn)生氫的化學(xué)反應(yīng)，最有效的催化劑是由貴金屬制成。然而，這些催化劑具有高成本和低豐度，并且容易受到污染。由更常見的金屬制成的其他較便宜的催化劑往往效率較低且穩(wěn)定性較差，這限制了它們的活性及其在制氫行業(yè)中的實際應(yīng)用。
為了提高這些富含地球的金屬基催化劑的性能和穩(wěn)定性，研究屯對修改了一種策略，著重于鎳金屬的細小、均勻團簇。微小簇很重要，因為它們可以在給定量的材料中使反應(yīng)性表面的暴露最大化。但是它們也傾向于聚集在一起，從而抑制了它們的反應(yīng)性。
張卓雷和論文第二作者蘇濟（Ji Su）設(shè)計并進行了一項實驗，該實驗通過將1.5納米直徑的鎳團簇沉積到由鎳制成的二維襯底上來對抗結(jié)塊。硼和氮經(jīng)過改造，可以容納原子級酒窩網(wǎng)格。鎳簇變得均勻分散并牢固地錨固在凹坑中。該設(shè)計不僅防止結(jié)塊，而且其熱和化學(xué)性質(zhì)通過與鎳簇直接相互作用而大大提高了催化劑的整體性能。
如圖所示缺陷BN納米片的形成和Ni納米團簇的進一步沉積的示意圖。 通過氣體剝落和基于鋰嵌入的剝落的組合剝落方法，A由塊狀BN（A）制備有缺陷的BN納米片（B）。 通過在BN納米片溶液中萘鋰的原位反應(yīng)沉積Ni納米團簇。 Ni / BN納米復(fù)合材料的擬議“凹坑”結(jié)構(gòu)（C）。
詳細的X射線和光譜測量，再加上理論計算，揭示了許多有關(guān)底層表面及其在催化中的作用的信息。研究人員通過計算建模方法，確定了二維薄板的物理和化學(xué)性質(zhì)的變化，同時形成并沉積了微小的鎳團簇。提出，材料是在金屬團簇占據(jù)板材原始區(qū)域并與附近邊緣相互作用的同時形成的，從而保留了微小的團簇。微小、穩(wěn)定的團簇促進了氫從其液體載體中分離出來的過程中的作用，從而使催化劑具有出色的選擇性，生產(chǎn)率和穩(wěn)定的性能。
計算表明，催化劑的尺寸是其活性相對于最近報道的其他催化劑而言最好的原因。與較大的金屬顆粒相比，在這些微小簇上富集的裸金屬原子更容易吸引液體載體。這些暴露的原子還簡化了從載體上除去氫的化學(xué)反應(yīng)步驟，同時防止了形成可能阻塞團簇表面的污染物。因此，在制氫反應(yīng)的關(guān)鍵步驟中，該材料保持無污染。這些催化和抗污染特性是從有意引入二維薄板的缺陷中出現(xiàn)的，最終幫助使簇的尺寸減小。
在他們的催化劑中，研究人員實現(xiàn)了創(chuàng)建相對便宜、易于獲得且穩(wěn)定的材料的目標，該材料有助于從液體載體中剝離氫用作燃料，該技術(shù)可以幫助優(yōu)化從液態(tài)化學(xué)載體中提取氫氣的過程。
參考：Zhuolei Zhang et al, Enhanced and stabilized hydrogen production from methanol by ultrasmall Ni nanoclusters immobilized on defect-rich h-BN nanosheets,Proceedings of the National Academy of Sciences(2020).DOI: 10.1073/pnas.2015897117
