科学家们利用纳米技术来提升工业催化剂的性能

2017-05-22 10:33:34 作者：本网整理来源：材料科技在线分享至：

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这种二氧化铈超薄膜的透射电子显微镜的图像显示，单个原子（以点表示）在强烈的压力下会发生移动。图片来源：Sang Chul Lee

据美国斯坦福大学和SLAC国家加速器实验室的科学家们最新研究发现：少量的挤压或微小的拉伸可以大大地提高催化性能。

科学家的这一新发现曾于5月18日在Nature Communications上发表，文章重点介绍了一种名为氧化铈或二氧化铈的工业催化剂，这些催化剂通常是一种用于催化转化器、自清洁炉和各种绿色能源应用中的海绵材料，如用在燃料电池和太阳能分水器中。

该研究的作者之一Will Chueh是斯坦福大学材料科学与工程的一名助理教授，也是SLAC实验室的一名教授，他说：“氧化铈就像海绵一样，能够根据需要来储存和释放氧气。我们发现仅仅对二氧化铈拉伸或压缩几个百分比，就显著提高了其储氧能力，这一结果也推翻了对于常规氧化物材料的传统观点，有望制备出性能更好的催化剂。

催化转化器

目前二氧化铈早已被用于催化转化器中，因为其有助于从车辆排放的废气中去除大气污染物。

本研究的第一作者、斯坦福大学前博士后研究员Chirranjeevi Balaji Gopal说：”二氧化铈可以从汽车排放的有毒氮氧化合物中吸收氧分子，从而将氮氧化物转化为无毒的氮气。然后二氧化铈会释放储存的氧气，被释放的氧气再被用于将致命的一氧化碳转化为良性二氧化碳。“研究表明，对二氧化铈进行挤压和拉伸会造成其纳米尺度的变化，从而影响其存储氧气的能力。

此研究的共同作者、现任宾夕法尼亚大学SLAC的前职员科学家、这项工作的计算方面的负责人Aleksandra Vojvodic说：”二氧化铈的储氧能力对于其作为催化剂所能拥有的有效性的大小来讲是至关重要的。基于以前的研究，目前的理论预期是：拉伸二氧化铈将增加其储存氧气的能力，而压缩则会降低二氧化铈储存氧气的能力。

为了去测验这一预测是否正确，研究团队在不同材料制成的基板之上，培育了几纳米厚的二氧化铈超薄薄膜。在这个过程中二氧化铈受到等于1万倍地球大气压的压力。这种巨大的压力导致二氧化铈分子发生分离，并挤压在一个小于一纳米的距离上。

惊喜结果

通常，像二氧化铈这样的材料是通过在膜中形成缺陷来缓解压力的。但在原子尺度上的分析结果却显示出了令人惊喜的发现。

斯坦福大学材料科学与工程系教授Robert Sinclair说：“我们使用高分辨率透射电子显微镜来解决单个原子的位置，我们发现，薄膜保持拉伸或压缩并不会形成这样的缺陷，从而可以使应力保持完全有效的状态。

为了测量现实世界操作条件下的应力影响，研究人员利用劳伦斯伯克利国家实验室的先进光源产生的X光照射光束，分析了二氧化铈样品。

结果更令人惊讶，Gopal表示：”我们发现，应变薄膜的二氧化铈储氧能力提高了四倍。不管你是拉伸还是压缩它，都会得到非常相似的结果，即储氧能力得到提高增长。“补充说，研究团队使用的高应力技术可以通过纳米工程来实现。

他说：“这一发现对于如何使纳米氧化物材料在能量转换及储能方面提高其催化效率，具有十分重要的意义。开发固体氧化物燃料电池和其他绿色能源技术非常重要，包括研发从二氧化碳或水中去制造清洁燃料的新途径。”

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责任编辑：殷鹏飞

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