氫氣是一種可持續(xù)性的清潔能源，不排放有毒氣體，并可為交通、發(fā)電、金屬制造等多個行業(yè)增加價值。存儲和運輸氫氣的技術(shù)彌合了可持續(xù)能源生產(chǎn)與燃料使用之間的鴻溝，效率更高的氫氣輸送系統(tǒng)能夠為固定電源、移動電源、移動汽車等應(yīng)用帶來很多好處，因此也成為了氫經(jīng)濟(jì)中不可或缺的部分。但是，傳統(tǒng)的儲氫與運輸氫氣的技術(shù)非常昂貴，且容易使氫氣被污染。因此，研究人員一直在尋找可靠、低成本且簡單的替代技術(shù)。

氮化硼2D基底（圖片來源：勞倫斯伯克利國家實驗室）

　　據(jù)外媒報道，美國勞倫斯伯克利國家實驗室（Lawrence Berkeley National Laboratory）的一組研究人員設(shè)計并合成了一種高效的材料，可以加速從醇中提取氫。該材料是一種催化劑，由固定在2D基底上的微小鎳金屬簇構(gòu)成。該研究小組發(fā)現(xiàn)，此種催化劑可以高效地加速從液體化學(xué)載體中移除氫原子的反應(yīng)，而且該材料非常堅固，由儲量豐富的金屬，而不是由現(xiàn)有的貴金屬制成，將能夠有助于使氫成為各種應(yīng)用的能源。

　　此類作為催化劑的化合物通常用于加速化學(xué)反應(yīng)的速率，而化合物自身并不會被消耗，而是能夠?qū)⒁粋€特定的分子保持在一個穩(wěn)定的位置，或者充當(dāng)一個中介，讓某個重要的化學(xué)步驟能夠順利完成。至于能夠從液體載體產(chǎn)生氫氣的化學(xué)反應(yīng)而言，最高效的催化劑一般都由昂貴金屬制成。不過，此類催化劑通常成本高、儲量不豐富，而且容易被污染。而由普通金屬制成的較便宜的催化劑往往效率較低且穩(wěn)定性較差，活性受到限制，也限制其在制氫工業(yè)中得到實際應(yīng)用。

　　為了改進(jìn)此類由儲量豐富的金屬制成的催化劑，研究人員改變了策略，專注于微小、均勻的鎳金屬簇。此類金屬簇非常重要，能夠讓一定量的材料最大限度地暴露活性表面。但是，金屬簇也容易聚集在一起，導(dǎo)致反應(yīng)能力受限。

　　研究人員設(shè)計并進(jìn)行了一次實驗，通過將1.5納米大小的鎳簇沉積在2D基底上，防止金屬簇聚集在一起。該2D基底由硼和氮制成的，被設(shè)計成原子大小、有凹槽的網(wǎng)格狀。鎳簇會均勻且牢牢地固定在凹槽中。此種設(shè)計不僅可以防止金屬簇聚集，而通過直接與鎳金屬簇互動，催化劑的熱化學(xué)性能也能得到大大提升，從而提升其整體性能。

　　研究人員利用詳細(xì)的X射線和光譜測量結(jié)果，結(jié)合理論計算，揭示了表面下的很多情況以及此類情況在催化反應(yīng)中的作用。伯克利實驗室采用先進(jìn)光子源的工具和計算建模法，在微小鎳金屬簇在該2D基底上形成與沉積時，識別出該2D基底的物理與化學(xué)特性的變化。該研究小組提出，在金屬簇占據(jù)基底原有區(qū)域并跟附近的邊緣互動時，該材料就形成了，從而能夠保留金屬簇的微小尺寸。此種微小且穩(wěn)定的金屬簇促進(jìn)了氫從液體載體中的分離，使該催化劑具有優(yōu)異的分離性、生產(chǎn)率以及穩(wěn)定性。

　　計算表明，該催化劑的尺寸使其能夠比其他性能最佳的催化劑更具活性。研究人員利用模型和計算法揭示了該微小金屬簇獨特的幾何與電子結(jié)構(gòu)。大量裸露的金屬原子聚集在此類微小的團(tuán)簇上，比較大尺寸的金屬粒子更能吸引氫氣載體。此類暴露在外的原子還能夠減緩氫氣從載體中剝離的步驟，同時防止可能堵塞團(tuán)簇表面的污染物的形成。因此，該材料在制氫反應(yīng)的關(guān)鍵步驟中可以保持不被污染。此類催化和抗污染的性能被特意引入該2D基底，最終導(dǎo)致該團(tuán)簇能夠保持較小尺寸。

　　在此次研究中，研究人員成功打造較便宜、容易獲取以及穩(wěn)定的材料，可幫助從液體載體中剝離氫氣，使氫氣能夠用作一種燃料。該項研究基于美國能源部的計劃，該計劃旨在研究能夠滿足能源效率與可再生能源（EERE）氫氣與燃料電池辦公室對儲氫材料的要求，并優(yōu)化未來要用于車輛的材料。

　　未來，伯克利實驗室團(tuán)隊將進(jìn)一步完善策略，以改變2D基底，使其能夠為微小的金屬簇提供支持，從而研發(fā)出更高效的催化劑。該技術(shù)有助于優(yōu)化從液體化學(xué)載體中提取氫氣的工藝。