古天乐澳门太阳集团城app多孔金属的特殊结构是开发创新催化剂材料的关键
- 原子是构成材料和物质的最小单位。 Takeshi Fujita教授使用可以仔细观察这些原子的电子显微镜来创建各种材料的古天乐澳门太阳集团城app结构，目的是创造新的功能。在各种古天乐澳门太阳集团城app结构中，“古天乐澳门太阳集团城app多孔金属”目前正在各个专业领域进行研究。这是一种“海绵状物质”，其中古天乐澳门太阳集团城app尺寸的孔随机连接在材料内部。它不仅具有金属的高导电特性，而且孔隙增加了表面积，提高了催化活性，有望替代传统古天乐澳门太阳集团城app粒子用作催化材料。藤田教授和他的同事们建立了一种“脱合金”方法，可以轻松生产古天乐澳门太阳集团城app多孔金属。利用这种方法，我们正在继续开发创新的催化剂材料。
开发有助于减少环境影响的古天乐澳门太阳集团城app多孔催化剂
“脱合金”是藤田教授和他的同事建立的一种生产古天乐澳门太阳集团城app多孔金属的方法，其灵感来自于脱合金现象，即特定元素由于腐蚀而有选择地从合金中浸出。这是一种非常简单的方法，涉及将耐腐蚀的金属与不稳定的金属合金化，并用电解质选择性地腐蚀它们。 “通过脱合金制造古天乐澳门太阳集团城app多孔金属不需要任何特殊的实验设备，而且它具有巨大的潜力，因为它可以非常容易地完成。”
古天乐澳门太阳集团城app多孔金属具有多种功能，其中最有前景的是它们在催化剂中的应用。传统的古天乐澳门太阳集团城app粒子催化剂的形状是多个金属古天乐澳门太阳集团城app粒子放置在氧化物的表面上，并且只有古天乐澳门太阳集团城app粒子附近的区域具有活性，而其他区域没有得到有效利用。另一方面，古天乐澳门太阳集团城app多孔催化剂具有金属与氧化物错综复杂地纠缠在一起的结构，因此不仅具有更宽的活性面积，而且具有很高的耐久性，可以长时间维持化学反应的活性时间。
Fujita 教授坚信“具有高催化活性的古天乐澳门太阳集团城app孔催化剂可用于各种化学反应系统”，并接受了利用这一特性开发催化剂的挑战，以促进“有效利用甲烷和二氧化碳，这两种温室气体对全球环境有负面影响。”甲烷干重整 (DRM) 反应 作为从甲烷和二氧化碳生产有用的合成气的方法而受到关注。然而，在低于600摄氏度的温度下发生显着的碳排放反应，导致催化剂失活和反应设备劣化，因此必须在800摄氏度以上的温度下进行，而这并未导致实际应用。 Fujita教授和他的同事们的目标是在较低的温度下长时间稳定地驱动DRM，并成功地创造了一种“Nedome催化剂”，其中金属镍和氧化钇通过脱合金像辫子一样交织在一起。目前，该催化剂已证明具有工业适用性，实际应用正在成为现实。
此外，我们已经开始开发一种革命性的催化剂系统，该系统可以通过向作为导电体的古天乐澳门太阳集团城app多孔催化剂施加高电压并引起电晕放电*2，在室温下驱动DRM。近年来，尝试利用光或电场等外部场作为驱动力来优化化学反应并控制反应路径和速度在工业应用中变得很重要。然而，对于传统的古天乐澳门太阳集团城app颗粒催化剂，反应仅在分散在氧化物表面的古天乐澳门太阳集团城app颗粒附近进行，因此催化剂与外场之间的耦合效率极低。为了解决这个问题，藤田教授和他的同事们专注于可以在其表面积累电场的古天乐澳门太阳集团城app多孔催化剂。其想法是利用电晕放电使催化剂表面的电场更接近产生外场的气体，从而提高与外场的耦合效率并激活催化反应。使用所开发的装置进行实验的结果证实，催化剂的反应通过电晕放电而加速。
此外，他们还取得了一系列可为减少环境影响做出巨大贡献的创新成果，例如通过酸蚀刻和热处理为不导电的金属有机框架（MOF）添加导电性，并成功使其成为优异的水电解催化剂。
※2 当高电压施加到尖锐电极等局部区域时发生的现象，导致电场不均匀
旨在实现多能的“万能催化剂”
藤田教授关注的另一个重大主题是开发结合多种元素的“超多重催化剂”。
我们正在进行研究，相信“混合多种元素可能会产生额外的效果，从而创造出具有新功能的催化剂。”迄今为止，他已经成功地制造出了含有12种元素的催化剂，但他热衷于增加其含有的元素数量。这项研究的值得注意之处不仅在于它含有大量元素，而且还在于它可以使用简单的脱合金方法来生产。该过程非常简单，只需将所含元素和铝制成合金，将其淬火成带状，将其放入碱性溶液中，然后选择性地腐蚀铝即可。 “到目前为止，据说很难制造出含有超过 10 种元素的合金，但我们使用非常简单的方法成功地制造了它。我认为在进行研究时放弃先入之见很重要，”他说。
成功的背后是一个逆转的想法。传统的多组分催化剂是采用自下而上的方法生产的，其中元素逐一堆叠。另一方面，藤田教授和他的同事采取了相反的方法，提出了一种“自上而下”的方法，首先创建一种包含多种元素的合金，然后通过去除不必要的元素来优化它。这可能会改变催化剂设计方法的常识，并为巨大的进步提供动力。
藤田教授说，这项研究的最终目标是创造一种可以在各种反应中发挥作用的“通用催化剂”。
“通过将许多元素放入反应场中，并赋予材料与生命相当的复杂性（熵），它或许可以将自身转变成适合任何反应的形状，并成为能够承受多种反应的催化剂。我们正在带着这些希望开展工作。”
在制造多组分催化剂时，元素的选择也很重要。他们还计划开发一个系统，通过结合催化科学和数据科学来找到元素的最佳组合。 2021年3月，我校将引进具有高分辨率和多种分析能力等卓越功能的最先进的电子显微镜。 “这将极大地推进我们的研究。”他说的话充满了信念。
发布日期：2021 年 1 月