原子控制的MXenes可实现经济高效的绿色氢气生产

发布时间：2024-09-20 10:08:21 栏目：精选百科

导读 全球137个国家签署了净零气候变化协议，旨在停止使用化石燃料，到2050年实现零碳排放。氢气被誉为下一个绿色能源，因为它在用作能源时只排...

全球137个国家签署了“净零”气候变化协议，旨在停止使用化石燃料，到2050年实现零碳排放。氢气被誉为下一个绿色能源，因为它在用作能源时只排放水和氧气。氢气生产方法根据能源来源和碳排放量分为灰氢、蓝氢和绿氢。其中，绿色氢气生产方法是最环保的方法，它利用绿色能源电解水生产氢气，不会产生碳排放。



韩国科学技术研究院(KIST)未来移动电磁干扰解决方案融合研究中心和材料结构研究中心的Albert Sung Soo Lee 博士领导的研究团队 与成均馆大学 Chong Min Koo 教授的研究小组合作，开发了一种氧化稳定的钼基 MXene，作为阴离子交换膜水电解槽中的电催化剂载体。由于它在氧化高压条件下稳定，如果将其用作电解催化剂的载体，它可以用作绿色制氢的氧析出反应电极材料，以降低绿色制氢的成本。

水分解成氢和氧分子需要大量能量。为了降低初始反应能量，需要使用催化剂，催化剂由微小的纳米级颗粒组成，尺寸越小，表面积就越大，从而使反应得以进行。然而，随着时间的推移，小催化剂颗粒会聚集，从而减少表面积并降低氢气生产效率。为了防止这种情况，需要同时使用催化剂和载体，碳主要用于产生氢气的阴极，但当碳用于阳极的氧化反应时，它会被氧化成二氧化碳。因此需要具有高抗氧化性的载体。

一种可用作载体的材料是 MXene。MXene 是由金属原子(Ti、Mo、Hf、Ta 等)和碳或氮原子组成的纳米材料，具有导电性能，且具有适合用作催化剂载体的二维纳米结构，有利于制氢。钛基 MXene 因其高电导率而成为研究最广泛的材料。然而，由于钛的原子性质，在水中易被氧化，导致催化剂无法保持高电导率的固有缺点。为了克服这个问题，该团队设计了一种新的阳极催化剂，使用钼碳化物基 MXene 作为载体。

当使用钼基MXene作为载体时，MXene表面的钼原子与活性物质钴之间会产生很强的化学键，产生的化学键使制氢效率提高了约2.45倍。特别是，与最近的钛基MXene的寿命不到40小时的结果相比，单元电池的耐久性提高了10倍以上。这有望降低绿色制氢的成本，并将在未来应用于大规模制氢工厂和大型绿色氢电站。

KIST 的 Albert Sung Soo Lee 博士表示：“通过控制组成 MXene 的元素，我们能够找到适合绿色制氢环境的候选材料，并通过这种方式确保了氧化环境中稳定的 MXene 支撑。未来，我们将通过开发具有催化效率和耐用性的产氧电极催化剂，为氢基经济的振兴做出贡献。”