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美國科學(xué)家研發(fā)廉價催化劑 可大規(guī)模分解水制氫

文字:[大][中][小] 手機(jī)頁面二維碼 2019-11-12     瀏覽次數(shù):    

據(jù)外媒報(bào)道,美國能源部SLAC國家加速器實(shí)驗(yàn)室(Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory)和斯坦福大學(xué)(Stanford University)的研究人員首次證明,有一種廉價的催化劑可以在商業(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。


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該電解技術(shù)基于質(zhì)子交換膜(PEM),具備利用可再生能源大規(guī)模生產(chǎn)氫氣的潛力。由于用于提升化學(xué)反應(yīng)效率的鉑和銥等金屬催化劑成本太高,在一定程度上限制了氫氣的大規(guī)模生產(chǎn)。


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領(lǐng)導(dǎo)該研究小組的Thomas Jaramillo表示:“氫氣是一種非常重要的工業(yè)化學(xué)物質(zhì),可以用來生產(chǎn)燃料和肥料等。氫氣也是一種清潔、高能量的分子,可用于燃料電池或者用于存儲由太陽能和風(fēng)能等多變能源產(chǎn)生的能量。而且可以用于汽車行業(yè),有利于減少溫室氣體的排放。不過,現(xiàn)在大部分氫氣都由化石燃料制造出來,增加了大氣中的二氧化碳水平,因而我們需要找到一種具成本效益的方法,用清潔能源產(chǎn)氫?!?/span>


從昂貴的金屬到便宜而豐富的材料


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多年來,人們一直致力于為PEM水電解制氫系統(tǒng)研發(fā)貴金屬催化劑的替代品。而且很多替代品被證明可以在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中工作。不過,據(jù)說此次研究人員研發(fā)的催化劑是首次在商業(yè)電解槽中展示出高性能。該設(shè)備由位于康涅狄格州的PEM電解研究基地和工廠生產(chǎn),為全球最古老、最大的電解設(shè)備制造商N(yùn)el Hydrogen所用。


電解的工作原理與電池的反向作用很像,即不是產(chǎn)生電,而是利用電流將水分解成氫氣和氧氣。采用不同的貴金屬催化劑,可以在不同電解質(zhì)上發(fā)生產(chǎn)生氫氣和氧氣的反應(yīng)。在此原理下,SLAC和斯坦福大學(xué)科學(xué)家制造了一種由沉積在碳上的磷化鈷納米顆粒組成的催化劑,該催化劑是一種黑色粉末。然后Nel Hydrogen小組利用該催化劑替代了產(chǎn)氫那側(cè)電解質(zhì)上的鉑催化劑。與其他催化劑一樣,此種催化劑可以將其他化學(xué)物質(zhì)聚集在一起,并促進(jìn)它們發(fā)生反應(yīng)。


該磷化鈷催化劑在整個測試過程中(超過1700小時)都表現(xiàn)得非常好,表明其可以用于日常化學(xué)反應(yīng),即能夠在溫度、壓力和電流密度升高的極酸性條件下,長時間地工作。


該項(xiàng)研究的一個最重要目標(biāo)就是實(shí)現(xiàn)該磷化鈷催化劑的量產(chǎn),同時保證其品質(zhì)如一,即從實(shí)驗(yàn)合成的起始材料、用研缽和研杵磨制、讓其進(jìn)入烘烤爐烤制、最后將精細(xì)的黑色粉末變成一滴墨水,噴到多孔碳紙上,這整個過程都需要保證其質(zhì)量穩(wěn)定。最終獲得的大尺寸電極會被裝入電解槽中進(jìn)行制氫試驗(yàn)。


雖然鉑催化劑只占PEM水電解制氫總成本的8%,但是貴金屬市場的波動非常劇烈,可能會阻礙該技術(shù)的發(fā)展。而隨著PEM水電解制氫技術(shù)不斷改進(jìn),以滿足燃料電池和其他應(yīng)用對氫氣日益增長的需求,降低和穩(wěn)定其成本將變得越來越重要。(文中圖片均來自SLAC國家加速器實(shí)驗(yàn)室)


來源:蓋世汽車

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