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美国研发廉价催化剂 可大规模分解水制氢

来源:盖世汽车  时间:2019-11-09 10:12  作者:余秋云  编辑:张航  

    美国能源部SLAC国家加速器实验室(Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory)和斯坦福大学(Stanford University)的研究人员首次证明,有一种廉价的催化剂可以在商业设备的恶劣环境中,连续数小时分解水,并产生氢气。

    该电解技术基于质子交换膜(PEM),具备利用可再生能源大规模生产氢气的潜力。由于用于提升化学反应效率的铂和铱等金属催化剂成本太高,在一定程度上限制了氢气的大规模生产。

    领导该研究小组的Thomas Jaramillo表示:“氢气是一种非常重要的工业化学物质,可以用来生产燃料和肥料等。氢气也是一种清洁、高能量的分子,可用于燃料电池或者用于存储由太阳能和风能等多变能源产生的能量。而且可以用于汽车行业,有利于减少温室气体的排放。不过,现在大部分氢气都由化石燃料制造出来,增加了大气中的二氧化碳水平,因而我们需要找到一种具成本效益的方法,用清洁能源产氢。”

    从昂贵的金属到便宜而丰富的材料

    多年来,人们一直致力于为PEM水电解制氢系统研发贵金属催化剂的替代品。而且很多替代品被证明可以在实验室环境中工作。不过,据说此次研究人员研发的催化剂是首次在商业电解槽中展示出高性能。该设备由位于康涅狄格州的PEM电解研究基地和工厂生产,为全球最古老、最大的电解设备制造商Nel Hydrogen所用。

    电解的工作原理与电池的反向作用很像,即不是产生电,而是利用电流将水分解成氢气和氧气。采用不同的贵金属催化剂,可以在不同电解质上发生产生氢气和氧气的反应。在此原理下,SLAC和斯坦福大学科学家制造了一种由沉积在碳上的磷化钴纳米颗粒组成的催化剂,该催化剂是一种黑色粉末。然后Nel Hydrogen小组利用该催化剂替代了产氢那侧电解质上的铂催化剂。与其他催化剂一样,此种催化剂可以将其他化学物质聚集在一起,并促进它们发生反应。

    该磷化钴催化剂在整个测试过程中(超过1700小时)都表现得非常好,表明其可以用于日常化学反应,即能够在温度、压力和电流密度升高的极酸性条件下,长时间地工作。

    该项研究的一个最重要目标就是实现该磷化钴催化剂的量产,同时保证其品质如一,即从实验合成的起始材料、用研钵和研杵磨制、让其进入烘烤炉烤制、最后将精细的黑色粉末变成一滴墨水,喷到多孔碳纸上,这整个过程都需要保证其质量稳定。最终获得的大尺寸电极会被装入电解槽中进行制氢试验。

    虽然铂催化剂只占PEM水电解制氢总成本的8%,但是贵金属市场的波动非常剧烈,可能会阻碍该技术的发展。而随着PEM水电解制氢技术不断改进,以满足燃料电池和其他应用对氢气日益增长的需求,降低和稳定其成本将变得越来越重要。

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