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突破!一种廉价的催化剂可以在商业装置中产生氢气

来源: 编辑: 时间:2019-10-17
导读: 美国能源部(Department of Energy)SLAC国家加速器实验室(SLAC National Accelerator Laboratory)和斯坦......

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

  电解槽技术,基于聚合物电解质膜(PEM),有可能利用可再生能源大规模生产氢,但高成本的贵金属催化剂,如铂和铱一直阻碍着其发展。

  研究人员今天在《自然-纳米技术》杂志上报告说,这项研究为找到更便宜的催化剂解决方案指明了方向。


(图片来自:Greg Stewart/SLAC国家加速器实验室)

  “氢气是一种非常重要的工业化学物质,可以用来制造燃料和肥料等产品,”领导该研究小组的SUNCAT界面科学与催化中心主任托马斯·哈拉米略(Thomas Jaramillo)说。“它也是一种清洁、高能量的分子,可以用于燃料电池或储存太阳能和风能等可变能源产生的能量。但今天产生的大部分氢是由化石燃料制造的,增加了大气中的二氧化碳水平。我们需要一种低成本的方式,用清洁能源来生产。”

  从昂贵的金属到便宜、丰富的材料

  多年来,人们一直在为PEM系统开发贵金属催化剂的替代品。已经发现许多被证明可以在实验室环境下工作的材料,但Jaramillo说,据他所知,这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,由Nel Hydrogen生产,Nel Hydrogen是世界上历史最悠久和规模最大的电解设备制造商。


实验中使用的工业电解槽。喷有催化剂粉末的电极堆积在中心金属板内,用螺栓和垫圈压缩固定。水通过右边的管子流入,氢气和氧气通过左边的管子排出。(图片来自:Nel Hydrogen)

  电解的工作原理很像电池的逆过程:它不是发电,而是利用电流把水分解成氢和氧。产生氢气和氧气的反应是在不同的电极上使用不同的贵金属催化剂进行的。在这种情况下,Nel Hydrogen小组用一种由沉积在碳上的磷化钴纳米颗粒组成的催化剂取代了产氢侧的铂催化剂,形成一种精细的黑色粉末,由SLAC和斯坦福大学的研究人员制造。就像其他催化剂一样,它把其他化学物质聚集在一起,促使它们发生反应。

  磷化钴催化剂在整个测试过程(超过1,700小时)内运行地非常出色,这表明它足够在日常反应中使用,该实验由SUNCAT研究工程师Laurie King领导。


斯坦福大学的研究生麦肯齐·休伯特(McKenzie Hubert)所用的设备可以在实验室中测试廉价催化剂。SLAC和斯坦福大学SUNCAT中心主任Thomas Jaramillo领导的团队首次展示了这种廉价材料可以在商用电解槽中实现高性能。(图片来自:Jacqueline Orrell / SLAC国家加速器实验室)

  “我们小组已经研究了这种催化剂和相关材料一段时间,” 休伯特说,“并且我们从基础实验室规模的实验阶段开始,通过在工业操作条件下对其进行测试,在该条件下你需要覆盖更大的表面具有催化剂的区域,它必须在更具挑战性的条件下发挥作用。”

  该研究最重要的要素之一是扩大磷化钴催化剂的产量,同时保持其可以非常均匀-该过程涉及在实验室工作台上合成原材料,用研钵和研杵研磨,在炉中烘烤以及最后将非常细的黑色粉末变成墨水,然后将其喷在多孔碳纸上。将所得的大幅面电极装入电解池以进行制氢测试。

  大规模生产氢气

  虽然电解槽的开发是由国防部资助的,国防部对潜艇用电解产生氧气方面很感兴趣,但Jaramillo说,这项工作也符合美国能源部的H2@Scale计划,该计划带来了DOE实验室和工业界的共同努力,推动了氢在许多应用中可以负担得起的生产、运输、储存和使用氢气的趋势。基础催化剂研究由美国能源部科学办公室资助。


(图片来自:Greg Stewart/SLAC国家加速器实验室)

  Nel研究与开发副总裁兼该论文的合著者Katherine Ayers说:“合作使我们有机会了解这些催化剂能否长期稳定,并为我们提供了一个机会来了解它们与铂金相比,能否提供更好的性能。”

  她说:“磷化钴催化剂的性能需要提高一些,并且其合成规模必须扩大。但是我对这些材料的稳定性感到惊讶。尽管它们产生氢气的效率仍低于铂金,但它是恒定的。在这种环境下,很多因素都可能导致退化。”

  Ayers说,虽然铂催化剂仅占用PEM制造氢气总成本的8%左右,但事实是,贵金属市场如此动荡,价格不断的上下波动,这可能会阻碍该技术的发展。随着PEM电解技术其他方面的改进,以及对氢气不断增长的需求,降低和稳定催化剂的成本将变得越来越重要。

  来源:《自然纳米技术,2019年10月14日》(10.1038/s41565-019-0550-7)

  (原文来自:燃料电池工程 中国新能源网综合)

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