氢气是一种可持续的清洁能源，氢的存储和运输技术弥合了可持续能源生产和燃料使用之间的差距，因此是可行的氢经济的重要组成部分。但是传统的存储和运输方式价格昂贵并且容易受到污染。为此，科学家在寻找可靠、低成本和简单的替代技术。效率更高的氢气输送系统将使许多应用受益，例如固定电源、便携式电源和移动车辆行业。

　　发表在《美国国家科学院院刊》上一篇论文表明，研究人员设计并合成了一种有效的材料，可以加快从醇中提取氢的限制步骤之一。这种材料是一种催化剂，是由固定在2-D衬底上的微小镍金属簇制成的。

　　论文第一作者张卓雷（Zhuolei Zhang）毕业于吉林大学，现为伯克利国家实验室分子铸造研究所的博士后研究员，论文作者中还包括其他五位中国学者。

　　该研究发现，该催化剂可以清洁有效地加速从液态化学载体中除去氢原子的反应。这种材料坚固耐用，是由富含地球的金属制成的，而不是由贵金属制成的现有选择，它将有助于使氢成为广泛应用中的可行能源。如图所示带有缺陷的2D氮化硼衬底，该缺陷包含微小的镍团簇。催化剂有助于从液体化学载体中除去氢的化学反应，使其可用作燃料。

　　论文主导、杰夫·厄本（Jeff Urban）表示：“对于一种重要的可再生能源燃料，我们在此不仅展示了一种比我们测试过的其他镍催化剂更高的活性的催化剂，而且还提出了在各种反应中使用可承受的金属的更广泛的策略。”

　　用作催化剂的化学化合物通常用于提高化学反应的速度而无需消耗化合物本身，它们可能将特定分子保持在稳定的位置，或充当中间体使重要的步骤可靠地完成。对于由液体载体产生氢的化学反应，最有效的催化剂是由贵金属制成。然而，这些催化剂具有高成本和低丰度，并且容易受到污染。由更常见的金属制成的其他较便宜的催化剂往往效率较低且稳定性较差，这限制了它们的活性及其在制氢行业中的实际应用。

　　为了提高这些富含地球的金属基催化剂的性能和稳定性，研究屯对修改了一种策略，着重于镍金属的细小、均匀团簇。微小簇很重要，因为它们可以在给定量的材料中使反应性表面的暴露最大化。但是它们也倾向于聚集在一起，从而抑制了它们的反应性。

　　张卓雷和论文第二作者苏济（Ji Su）设计并进行了一项实验，该实验通过将1.5纳米直径的镍团簇沉积到由镍制成的二维衬底上来对抗结块。硼和氮经过改造，可以容纳原子级酒窝网格。镍簇变得均匀分散并牢固地锚固在凹坑中。该设计不仅防止结块，而且其热和化学性质通过与镍簇直接相互作用而大大提高了催化剂的整体性能。

　　如图所示缺陷BN纳米片的形成和Ni纳米团簇的进一步沉积的示意图。 通过气体剥落和基于锂嵌入的剥落的组合剥落方法，A由块状BN（A）制备有缺陷的BN纳米片（B）。 通过在BN纳米片溶液中萘锂的原位反应沉积Ni纳米团簇。 Ni / BN纳米复合材料的拟议“凹坑”结构（C）。

　　详细的X射线和光谱测量，再加上理论计算，揭示了许多有关底层表面及其在催化中的作用的信息。研究人员通过计算建模方法，确定了二维薄板的物理和化学性质的变化，同时形成并沉积了微小的镍团簇。提出，材料是在金属团簇占据板材原始区域并与附近边缘相互作用的同时形成的，从而保留了微小的团簇。微小、稳定的团簇促进了氢从其液体载体中分离出来的过程中的作用，从而使催化剂具有出色的选择性，生产率和稳定的性能。

　　计算表明，催化剂的尺寸是其活性相对于最近报道的其他催化剂而言最好的原因。与较大的金属颗粒相比，在这些微小簇上富集的裸金属原子更容易吸引液体载体。这些暴露的原子还简化了从载体上除去氢的化学反应步骤，同时防止了形成可能阻塞团簇表面的污染物。因此，在制氢反应的关键步骤中，该材料保持无污染。这些催化和抗污染特性是从有意引入二维薄板的缺陷中出现的，最终帮助使簇的尺寸减小。

　　在他们的催化剂中，研究人员实现了创建相对便宜、易于获得且稳定的材料的目标，该材料有助于从液体载体中剥离氢用作燃料，该技术可以帮助优化从液态化学载体中提取氢气的过程。

　　参考：Zhuolei Zhang et al, Enhanced and stabilized hydrogen production from methanol by ultrasmall Ni nanoclusters immobilized on defect-rich h-BN nanosheets,Proceedings of the National Academy of Sciences(2020).DOI: 10.1073/pnas.2015897117