开发用于清洁制氢的先进催化剂

  • 2021-12-14 17:55:03
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俄勒冈州立大学对催化剂设计的研究表明,与目前的市售催化剂相比,可以以更高的效率和更低的成本清洁地生产氢气。

催化剂是一种能提高化学反应速率而自身不会发生任何永久性化学变化的物质。

俄勒冈州立大学工程学院化学工程教授冯振兴说,这些发现意义重大,因为氢气的生产对“我们生活的许多方面都很重要,例如汽车燃料电池和氨等许多有用化学品的制造”。谁领导了这项研究。“它还用于精炼金属、生产塑料等人造材料以及一系列其他用途。”

冯说,通过电化学催化过程分解水来生产氢气比通过二氧化碳生产过程(称为甲烷蒸汽重整)从天然气中提取氢气的传统方法更清洁、更可持续。但更环保技术的成本一直是市场上的障碍。

新发现描述了设计催化剂的方法,可以大大提高清洁制氢过程的效率,发表在 Science Advances 和 JACS Au 上。

冯说,在促进反应过程中,催化剂经常发生结构变化。有时这些变化是可逆的,有时是不可逆的,并且不可逆的重组被认为会降低催化剂的稳定性,导致催化活性的丧失,从而降低反应效率。

冯,俄勒冈州立大学博士 学生王茂宇和合作者研究了反应中催化剂的重组,然后在原子尺度上操纵它们的表面结构和组成,以实现高效的制氢催化过程。

基于无定形氢氧化铱的催化剂活性相的效率是其原始钙钛矿结构的 150 倍,比常见的商业催化剂氧化铱高出近三个数量级。

“我们发现至少有两组材料发生了不可逆变化,结果证明它们是更好的制氢催化剂,”冯说。“这可以帮助我们以每公斤 2 美元,最终每公斤 1 美元的价格生产氢气。这比当前行业的污染过程成本更低,将有助于实现美国到 2030 年实现零排放的目标。”

冯指出,美国能源部氢和燃料电池技术办公室已经建立了技术基准,这些技术可以在 2025 年之前以每公斤 2 美元和 2030 年每公斤 1 美元的价格生产清洁氢,作为降低清洁成本的氢能源地球项目目标的一部分。十年内,氢含量降低 80%,从每公斤 5 美元到 1 美元。

冯氏集团专注于生产清洁氢的水电解技术,利用可再生能源的电力将水分解成清洁氢。然而,他说,水分解的效率很低,主要是由于该过程中一个关键的半反应,析氧反应或开放教育资源。

“催化剂对于通过降低过电位促进水分解反应至关重要,从而降低制氢的总成本,”冯说。“我们在 JACS Au 的第一项研究为我们奠定了基础,正如我们在科学进展文章中所证明的那样,我们现在可以更好地操纵表面原子来设计具有所需结构和组成的催化剂。”

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