二維金屬碳化物引發一種反應，把水分解成氧氣和有價值的氫氣。加州大學伯克利分校的研究人員發現了一種簡單的新方法，可以將這些納米薄片製成果凍。
加州大學伯克利分校的研究人員開發了一種廉價而有效的新型催化劑，它可以像鉑一樣從水中高效地生成氫燃料。鉑是目前最好但也是最貴的水分解催化劑。
這種催化劑由納米級的金屬碳化物薄片組成，是通過一種自組裝工藝製造的，它依賴於一種令人驚訝的成分:明膠，這種材料能讓果凍晃動。
加州大學伯克利分校機械工程學教授、資深作者林利偉(Liwei Lin)表示:“鉑價格昂貴，因此人們希望找到其它替代材料來替代它。”“我們實際上是在用一種類似果凍的東西作為基礎，你可以吃它，並將它與一些豐富的地球元素混合，創造出一種廉價的新材料，用於重要的催化反應。”
電的轟擊可以打破將水分子連接在一起的強鍵，產生氧氣和氫氣，後者是氫燃料電池極有價值的能源。氫氣還可以用來幫助儲存可再生能源的能量，這些能源有時是間歇性的，比如太陽能和風能。當太陽照耀或颳風時，這些能源會產生多餘的電力，但在雨天或風平浪靜的日子，這些能源就會休眠。
但是簡單地將電極插入一杯水中是一種極其低效的產生氫氣的方法。在過去的20年裡，科學家們一直在尋找能夠加速這種反應的催化劑，使其能夠大規模應用。
“利用水煤氣生產氫氣的傳統方式在工業上仍然占主導地位。然而，這種方法會產生二氧化碳作為副產品。”“隨著全球對降低排放的需求，電催化制氫技術在過去十年中不斷髮展。開發一種高效、低成本的電水解催化劑將帶來深遠的技術、經濟和社會效益。
為了製造催化劑，研究人員遵循了一個幾乎和從盒子裡製作果凍一樣簡單的食譜。他們將明膠和金屬離子(鉬、鎢或鈷)與水混合，然後讓混合物乾燥。
林說:“我們相信，隨著明膠的乾燥，它會一層一層地自我組裝。”“金屬離子是由明膠攜帶的，所以當明膠自組裝時，你的金屬離子也被安排在這些平坦的層中，而這些平坦的薄片賦予了果凍獨特的鏡面外觀。”
將混合物加熱到600攝氏度，金屬離子就會與明膠中的碳原子發生反應，形成納米級的金屬碳化物薄片。未反應的明膠會燃燒掉。
研究人員將催化劑置於水中並通電，以此測試催化劑的效率。碳化鉬與碳化鈷相互疊置時，水的劈裂效率最高，其次是碳化鎢和碳化鈷，碳化鎢和碳化鈷不能像碳化鉬和碳化鈷那樣形成薄層。將鉬離子與少量鈷離子混合後，性能得到了更大的提高。
“其他形式的碳化物可能提供更好的性能，”林說。
明膠中的分子自然地自組裝在平板上，攜帶著金屬離子(左)。將混合物加熱到600攝氏度會燒掉明膠，留下納米級的金屬碳化物薄片。
催化劑的二維形狀是其如此成功的原因之一。這是因為水必須與催化劑的表面接觸才能發揮作用，而薄片的大面積表面積意味著金屬碳化物對於它們的重量來說是非常有效的。
研究人員說，由於配方如此簡單，可以很容易地擴大生產大量催化劑。
“我們發現，性能非常接近最好的鉑和碳制催化劑，這是該領域的黃金標準，”林說。“這意味著我們可以用我們的材料取代非常昂貴的鉑，這種材料是在一個非常可擴展的製造過程中製成的。”
這項研究的共同作者是加州大學伯克利分校的楊陸傑、李步軒和魏敏松，勞倫斯伯克利國家實驗室的J. Nathan Hohman和朱晨輝;上海交通大學陳文舒、顧家軍;深圳研究院鄒小龍、梁家明。
