新型催化剂揭示水在绿色氢气生产中的隐藏力量

发布时间：2024-08-01 16:17:18 栏目：生活

导读 氢气是一种很有前途的化学和能源载体，可以使我们的社会脱碳。与传统燃料不同，氢气作为燃料不会产生二氧化碳。不幸的是，今天我们社会生产...

氢气是一种很有前途的化学和能源载体，可以使我们的社会脱碳。与传统燃料不同，氢气作为燃料不会产生二氧化碳。不幸的是，今天我们社会生产的大部分氢气都来自化石燃料甲烷。甲烷重整过程会产生大量二氧化碳排放。因此，绿色氢气的生产需要可扩展的替代工艺。



水电解提供了一种生产绿色氢气的方法，这种氢气可以由可再生能源和清洁电力驱动。该过程需要阴极和阳极催化剂来加速原本效率低下的反应，即水分解和重新结合成氢气和氧气。自 18 世纪末被发现以来，水电解已经发展成为不同的技术。水电解最有前景的实现之一是质子交换膜 (PEM)，它可以结合高速率和高能效来生产绿色氢气。

迄今为止，水电解，特别是 PEM，需要基于稀有元素(例如铂和铱等)的催化剂。只有少数化合物能够在这种反应所施加的严苛化学环境下兼具所需的活性和稳定性。这对于阳极催化剂来说尤其具有挑战性，因为阳极催化剂必须在高腐蚀性酸性环境中运行，而只有氧化铱在所需的工业条件下才能稳定运行。但铱是地球上最稀缺的元素之一。

为了寻找可能的解决方案，一个科学家团队最近迈出了重要的一步，寻找铱催化剂的替代品。这个多学科团队成功开发出一种新方法，通过利用迄今为止尚未开发的水的特性，为无铱催化剂赋予活性和稳定性。这种新催化剂首次在不使用铱的情况下，在工业条件下实现了 PEM 水电解的稳定性。

这项突破性的研究发表在《科学》杂志上，由加泰罗尼亚基础科学研究所(ICFO) 研究人员Ranit Ram、Lu Xia 博士、Anku Guha 博士、Viktoria Golovanova 博士、Marinos Dimitropoulos 博士、Aparna M. Das和Adrián Pinilla-Sánchez共同完成，并由加泰罗尼亚基础科学研究所F. Pelayo García de Arquer教授领导;其中包括来自加泰罗尼亚化学研究所 (ICIQ)、加泰罗尼亚科学技术研究所 (ICN 2 )、法国国家科学研究中心 (CNRS)、Diamond Light Source 和先进材料研究所 (INAM) 的重要合作。

处理酸性

在高酸性环境中兼具活性和稳定性是一项挑战。催化剂中的金属往往会溶解，因为大多数材料在低 pH 值和施加电位下在水环境中热力学不稳定。氧化铱在这些恶劣条件下兼具活性和稳定性，这就是为什么它们是质子交换水电解中阳极的普遍选择。

寻找铱的替代品不仅是一项重要的应用挑战，而且是一项根本挑战。对非铱催化剂的深入研究带来了关于反应机理和降解的新见解，尤其是使用可以研究催化剂在运行过程中的探针结合计算模型。这些研究使用基于锰和氧化钴的材料，并利用不同的结构、成分和掺杂剂来改变催化剂的物理化学性质，取得了有希望的结果。

虽然这些研究很有见地，但大多数研究都是在基础的不可扩展反应堆中进行的，而且运行条件较软，与最终应用相差甚远，尤其是在电流密度方面。迄今为止，在 PEM 反应堆和 PEM 相关操作条件(高电流密度)下使用非铱催化剂展示活性和稳定性仍然难以实现。

为了克服这一问题，ICFO、ICIQ、ICN 2、CNRS、Diamond Light Source 和 INAM 的研究人员提出了一种设计非铱催化剂的新方法，在酸性介质中实现了活性和稳定性。他们的策略基于钴(非常丰富且便宜)，与常见的方法截然不同。

“传统的催化剂设计通常侧重于改变所用材料的成分或结构。在这里，我们采用了不同的方法。我们设计了一种新材料，将反应成分(水及其碎片)积极地纳入其结构中。我们发现，将水和水碎片加入催化剂结构中可以进行定制，以在这些具有挑战性的条件下保护催化剂，从而实现与工业应用相关的高电流密度下的稳定运行”，ICFO 教授 García de Arquer 解释说。他们的技术包括分层过程，将部分材料与水交换，由此产生的催化剂可以作为铱基催化剂的可行替代品。