众所周知氢元素在宇宙中蕴含量十分丰富,而且其反应产物水让它成为最清洁的能源。但是生产高质量的氢能电池不仅成本昂贵,转换效率也很难达标。通常,提取氢的投入已经超过氢气产生的收益了。为了减少地球对化石燃料的依赖,人们正在努力寻找低价有效的储氢方式建设可持续发展的氢能经济,这显然还有很长一段路要走。
苏博是康涅狄格大学特聘化学教授、校董事会主席同时也是材料系系主任,他说道:“新材料看起来很有希望。目前的结果显示,这种材料特性优于最新发表的其他新材料,而且尤其适合我们想要达成的化学反应。”
现阶段的一种制氢技术是采用强热加热原油中的碳氢化合物分离氢气。得到的氢气往往纯度不高,副产物需要进一步过滤。
另一种方法是分离出水中氢,这种方法看起来似乎更清洁更可持续发展,但是它仍有诸多局限。电化学催化需要铂、铱这样的稀土金属作为催化剂。高昂的价格让提取纯氢的商业化止步不前。因此科学家们一直在致力寻找跟稀土金属拥有一样稳定催化效果的非金属催化剂。
作为电化学领域的专家,苏博和鲁斯林都知道,填充的碳纳米管是潜在有效的氧气还原反应的催化剂。氧气还原反应(Oxygen Reduction Reaction)简称ORR,是氧气氢气结合生成水反应的一部分。这个反应也是氢电池的关键环节。氢气穿过催化剂(比如耐腐蚀的金属铂)导致氧气发生电化学还原反应产生能量,和副产物水。
该反应的逆反应-从水生成纯氢的过程,又称为析氧反应,在电化学方面则面临更多的挑战。苏博领导的博士生团队想要攻克这个难题。苏博强调技术关键在于精确控制碳、硫原子在纳米管内形成稳定的化学键的同时,提高纳米管的电化学势,以达到与稀土金属相同的水平。
“如果想要实现氢能经济,就得找到新材料,以取代昂贵稀土金属的催化作用,”苏博说道,“更大的挑战是这个新材料不仅便宜,稳定耐久还必须能达到工业级别的生产水平。”
苏博和鲁斯林在实验室中采用硫单质和二苄基二硫醚高温双重参杂的处理方法。研究人员必须精确添加少量硫杂环原子,以保证最终产物功能性稳定性的微妙平衡。过量的硫会导致产物不够稳定,过少的硫则会影响催化剂的有效性。
苏博认为,大体上水中分离出氢气的过程和分离混合均匀的沙和面粉差不多。最终掺杂硫的碳纳米管在整个电化学反应中消耗更少能量,也比其他催化剂更加活跃有效。
更重要的是,苏博指出,硫填充的碳纳米管在分离氢气和还原氧气反应中都十分有效,很少有材料对正逆化学反应具有双向催化作用。“我十分的惊喜,我们已经预料到新材料能够成功,实际上新材料的结果超乎想象。”苏博的兴奋溢于言表。
苏博说道,新材料的成功离不开康涅狄格大学生物科技电子显微实验室提供的仪器支持,和FEI公司高级显微中心的材料分析、测试、表征。