美國(guó)開(kāi)發(fā)一種更廉價(jià)的催化劑用于在商業(yè)電解裝置中產(chǎn)生氫氣

美國(guó)能源部國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室(SLAC)和斯坦福大學(xué)的研究人員首次證明，使用一種廉價(jià)的催化劑可以在工業(yè)設(shè)備的惡劣環(huán)境中連續(xù)數(shù)小時(shí)分解水并產(chǎn)生氫氣。

雖然基于聚合物電解質(zhì)膜(PEM)的電解槽技術(shù)有可能利用可再生能源大規(guī)模生產(chǎn)氫氣，但為了提高化學(xué)反應(yīng)效率，制氫過(guò)程需要高成本的貴金屬，如鉑和銥的催化劑，使其發(fā)展和大面積推廣應(yīng)用受到限制。2019年10月14日，研究人員在《自然-納米技術(shù)》雜志上發(fā)表的最新研究結(jié)果已經(jīng)為找到更便宜的解決方案指明了方向。

該研究小組的SUNCAT界面科學(xué)與催化中心主任Thomas Jaramillo表示：氫氣是一種非常重要的工業(yè)化學(xué)品，可以用來(lái)制造燃料和肥料等；氫氣也是一種清潔、高能量的分子，可以用于燃料電池或儲(chǔ)存太陽(yáng)能和風(fēng)能等可變能源產(chǎn)生的能量。但今天大部分氫是由化石燃料制造的，增加了大氣中的二氧化碳含量。因此需要一種具有成本效益的方式，用清潔能源來(lái)生產(chǎn)它。

多年來(lái)人們一直致力于開(kāi)發(fā)可在PEM系統(tǒng)中使用的貴金屬催化劑的替代品。許多已被證明在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下可行，但Jaramillo說(shuō)，據(jù)他所知，該新的研究成果是首次在工業(yè)電解槽中展示出如此高性能的催化效果。該設(shè)備位于美國(guó)康涅狄格州的PEM電解研究基地，由Nel Hydrogen公司生產(chǎn)。Nel Hydrogen公司是世界上歷史最悠久和規(guī)模最大的電解設(shè)備制造商。

電解的工作原理很像電池的逆過(guò)程，它不是發(fā)電，而是利用電流把水分解成氫和氧。使用不同的貴金屬催化劑，在不同的電極上反應(yīng)產(chǎn)生氫氣和氧氣。在這種情況下，Nel Hydrogen公司用一種由沉積在碳上的磷化鈷納米顆粒形成的精細(xì)黑色粉末組成的催化劑取代了產(chǎn)氫側(cè)的鉑催化劑，這種催化劑由美國(guó)SLAC和斯坦福大學(xué)的研究人員制造。這種催化劑像其他催化劑一樣，把其他化學(xué)物質(zhì)聚集在一起，促使它們發(fā)生反應(yīng)。

Jaramillo研究小組的一名研究生McKenzie H說(shuō)，在整個(gè)測(cè)試過(guò)程(超過(guò)1 700 h)內(nèi)，磷化鈷催化劑運(yùn)行得非常好，所有的跡象都表明，它完全可以勝任日常使用的化學(xué)反應(yīng)，即在高溫、高壓和高電流密度以及在極端酸性條件下長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)。我們的團(tuán)隊(duì)一直在研究這種催化劑及相關(guān)材料，從一個(gè)基本的實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的實(shí)驗(yàn)開(kāi)始，直到在工業(yè)操作條件下對(duì)其進(jìn)行測(cè)試，在該條件下，必須用催化劑覆蓋更大的表面，而且它必須在更具挑戰(zhàn)的條件下發(fā)揮作用。

這項(xiàng)研究最重要的要素之一是擴(kuò)大磷化鈷催化劑的產(chǎn)量，同時(shí)保持其可以非常均勻。該過(guò)程涉及在實(shí)驗(yàn)室工作臺(tái)上合成原材料，用研缽和研杵研磨、在烤爐中焙燒，最后把細(xì)黑粉變成可噴在多孔碳紙上的墨水，由此得到大尺寸電極，并將其裝入電解槽進(jìn)行制氫測(cè)試。