从纳米花园中获取氢气

阿姆斯特丹大学范特霍夫分子科学研究所的化学家宁岩和他的团队与中国武汉大学物理与技术学院的同事共同进行的研究表明，易于制造的、类似自然的磷化钴纳米结构是电解水的高效催化剂。在“材料化学A”杂志的封面上发表的一篇论文中，他们描述了相对简单的电化学沉积方法是如何产生草状、树叶状和花状的纳米结构的，这些纳米结构有望有效地产生氢气。对于制备纳米结构，自上而下的方法，如光刻，长期以来一直很常见。事实证明，这在半导体制造中非常有用，但对于更专用的应用来说，它是耗时的，而且不是特别划算。作为另一种选择，许多研究人员探索自下而上的纳米结构合成，例如，基于分子或纳米级构建块的自组装。然而，实现几何控制通常需要昂贵的添加剂和表面活性剂，这使得大规模的材料制备相当具有挑战性。

作为另一种选择，宁岩助理教授和他的博士生阿姆斯特丹大学范霍夫分子科学研究所的贾斯珀·比莫特(Jasper Biemolt)和皮特·兰(Pieter Laan)现在探索了一种相对简单的电沉积氢氧化钴的方法。与中国武汉大学物理与技术学院的研究人员合作，他们已经能够设计和制备各种类似花园中各种物品的纳米建筑：土壤、芽、草、花和叶子。

研究人员报告说，他们已经掌握了这个系统，能够随意生长这些结构中的任何一个。

除此之外，他们能够通过一个简单的磷化过程使纳米结构具有催化活性。由此得到的磷化钴纳米结构在电解分解水中表现出双功能催化活性，促进了氢气和氧气的生成反应。

宁岩和他的同事们在一块由直径约10微米的碳纤维组成的布上种植了他们的纳米花园，碳纤维是燃料电池和电解槽行业中常见的电极材料。园艺从沉积一层土壤开始，用水热方法将纤维包裹上一层浓密的氢氧化钴。这一层增加了纳米结构的结构稳定性。通过改变离子浓度和温度，他们能够诱导出根植于土壤中的草状特征。

这些草的平均长度为1.5μm，厚度约为10 0 nm。为了将花朵和树叶添加到长满草的特征中，研究人员应用了一种电沉积方法。在稀溶液中，电沉积主要从草茎的尖端进行，那里的曲率半径较小，导致较高的空间电荷密度。在浓度较高的溶液中，电沉积主要从茎的底部进行。这导致沉积了树叶状的特征，实际上是交织的树枝状沉积结构。

在通过磷化方法将氢氧化钴纳米结构转化为磷化钴之后，研究人员在充分代表工业相关条件的环境中评估了它们的催化活性。事实证明，AN中催化剂的性能是当今优秀的非贵金属放氢催化剂中的佼佼者之一。此外，在酸性、碱性和中性条件下，花朵状纳米特征导致的周转频率明显高于树叶状特征，特别是在过电位较高时，放氢受到质量传输限制的影响。研究人员将此归因于纳米特征的几何形状，在那里，花朵可以更顺利地卸氢。然而，在纳米结构的顶部和底部位置的不同反应环境相互补充，从而获得最佳的整体性能。

最后，在分解水的电解实验中，研究人员表明，他们的纳米花园不仅能催化析氢反应，还能催化析氧。这种双功能活性通过在阳极和阴极使用完全相同的纳米花园的对称双电极装置来显示。该团队将进一步研究在电气化材料合成中使用电子来控制纳米晶体的生长，这种材料合成有望实现可持续的未来。更多信息：严晓宇等人。用于电催化的纳米花园培养：受控合成受自然启发的高密度脂蛋白