原子大小的陨石坑使催化剂更加活跃

研究人员说，这种方法可以提供一种更便宜的方法来加速从水中生产清洁的氢燃料，并且还应该适用于促进有用化学反应的其他催化剂。该研究于11月9日在NatureMaterials上发表。

“这只是研究阶段新效应的第一个迹象，”斯坦福大学机械工程副教授郑晓林说。“但它开辟了尚未开发的全新可能性。”

寻找廉价，丰富的替代品

催化剂是促进化学反应而不被自身消耗的物质，因此它们可以反复使用。天然催化剂在植物，动物和我们的身体中无休止地起作用。工业催化剂用于制造燃料，肥料和消费品;他们本身就是一个价值数十亿美元的产业。

这里研究的催化剂，二硫化钼或MoS2，有助于从炼油厂的石油中除去硫。但是科学家认为它也可能是铂作为催化剂的良好替代品，这种反应将氢原子连接在一起，使氢气成为燃料。

“我们知道铂金非常擅长催化这种反应，”该研究的共同作者，斯坦福/SLAC研究所SUNCAT接口科学和催化中心主任JensNørskov说。“但由于它的稀有性，它不是首发。它在地球上没有足够的大规模氢燃料生产。”

郑说，MoS2便宜得多，成分丰富，只有一分子厚的弹性薄片堆叠在一起制成催化剂颗粒。所有催化作用都发生在那些薄片的边缘，悬挂的化学键可以抓住原子并将它们保持在一起直到它们发生反应。

研究人员尝试了各种方案来增加这种原子配对的活跃区域。其中大多数涉及设计催化剂片材以暴露更多边缘，或添加化学品以使边缘更活跃。

一个多孔的，拉伸的解决方案

在新方法中，斯坦福大学博士后研究员洪力在斯坦福大学纳米化学实验室中使用一种仪器用氩原子轰击一片MoS2。这将约10个硫原子中的1个从板表面中敲出，留下被悬空键包围的孔。

然后，他将多孔板拉伸到涂有金的二氧化硅制成的微观凸起上。他用溶剂润湿片材，当它干燥时，片材永久变形：原子间距发生变化，使得孔洞的化学反应性更强。

“之前，板材的顶部表面没有反应性。它是惰性的-几乎是零，”郑说。“现在表面比边缘更具催化活性。我们可以调整这种活性，使催化剂上形成的键恰到好处-足够强大，能够将反应原子保持在适当的位置，但是足够弱，所以它们会放开一旦原子结合在一起，成品就成了现实。“

SUNCAT理论家，包括研究生CharlieTsai，使用SLAC超级计算机进行的计算，在预测轰击和拉伸的组合将产生最佳结果方面发挥了重要作用。研究人员表示，计算和实验的结合对于寻找未来全新的活性催化位点非常重要。

展望未来，郑先生说：“我们需要弄清楚如何在工业中使用的层状催化颗粒中做到这一点，以及我们是否可以将相同的想法应用于其他催化材料。”

Tsai说，他们还需要找到一种更好的方法来制造原子大小的孔。“用氩气轰炸是不切实际的，”他说。“这个程序很昂贵，而且它不能用于燃料生产这样的事情。因此我们一直致力于后续研究，我们尝试使用更简单的过程来复制结果。”

斯坦福材料与能源研究所(SIMES)的科学家们也在这些实验中发挥了关键作用。该研究得到了三星高级技术研究所(SAIT)和三星美国硅谷研发中心以及SUNCAT和斯坦福大学高效能源转换纳米结构中心的支持，这两项研究均由美国能源部科学办公室资助。

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