美國開發(fā)一種更廉價的催化劑用于在商業(yè)電解裝置中產(chǎn)生氫氣

美國能源部國家加速器實驗室(SLAC)和斯坦福大學(xué)的研究人員首次證明，使用一種廉價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存太陽能和風(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，用清潔能源來生產(chǎn)它。

多年來人們一直致力于開發(fā)可在PEM系統(tǒng)中使用的貴金屬催化劑的替代品。許多已被證明在實驗室環(huán)境下可行，但Jaramillo說，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，在整個測試過程(超過1 700 h)內(nèi)，磷化鈷催化劑運行得非常好，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時間進行的化學(xué)反應(yīng)。我們的團隊一直在研究這種催化劑及相關(guān)材料，從一個基本的實驗室規(guī)模的實驗開始，直到在工業(yè)操作條件下對其進行測試，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。

這項研究最重要的要素之一是擴大磷化鈷催化劑的產(chǎn)量，同時保持其可以非常均勻。該過程涉及在實驗室工作臺上合成原材料，用研缽和研杵研磨、在烤爐中焙燒，最后把細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行制氫測試。