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佐治亚研究人员开发新型混合催化剂 用于高效绿色制氢

盖世汽车 Elisha 2022-01-18 09:36:19

盖世汽车讯 电化学水分解是一种绿色制氢方法。该过程涉及在使用催化剂(反应增强物质)的情况下,通过电力使水分子在电极上发生电化学反应,以产生氢气和氧气。 据外媒报道,佐治亚理工学院(Georgia Institute of Technology)和佐治亚技术研究所(GTRI)的研究人员开发了一种新的水分解工艺和材料,可以充分提高绿色制氢的效率。

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(图片来源:佐治亚理工学院)

该团队希望以混合材料为电催化剂,降低绿色制氢成本,并使其更耐用。目前,这一过程依赖于铂和铱等贵金属成分,这些元素既昂贵又稀有,是规模化电解制氢的首选催化剂。事实上,据市场研究公司Wood Mackenzie数据,在2020年的氢气年产量中,绿色氢气占的比例不到1%。这在很大程度上是因为催化剂的费用过高。首席研究员Seung Woo Lee表示:“此项工作旨在减少使用贵金属,增加其活性和使用选项。”

该团队强调,通过金属纳米颗粒和金属氧化物之间的相互作用,支持高性能混合催化剂设计。Lee表示:“在新催化剂设计中,研究人员采用更好的氧化物基底,其中使用的贵元素更少。”这些混合催化剂在氧气和氢气(裂解)方面都表现出优异的性能。

纳米级分析

这项工作借助于研究伙伴韩国能源研究所(Korea Institute Of Energy Research)的计算和建模,以及京浦国立大学(Kyungpook National University)和俄勒冈州立大学(Oregon State University)的X射线测量,后者利用了同步加速器,这是一种足球场大小的超级X射线。Lee解释说:“利用X射线,可以在水分解过程中,从纳米尺度上监测催化剂发生的结构变化。研究人员可以探讨其在操作条件下的氧化态或原子构型。”

GTRI的研究科学家Jinho Park表示,这项研究可能有助于降低绿色制氢过程中的设备成本门槛。除了开发混合催化剂外,研究人员还微调其控制催化剂形状以及金属相互作用的技能。关键优先事项是,减少系统中使用的催化剂,同时提高其耐久性,因为催化剂在设备成本中占主要部分。

“研究人员希望在不减弱性能的情况下,长期使用这种催化剂。这项研究不仅集中在制造新型催化剂上,还致力于理解其背后的反应机理。这将为该领域的其他研究人员提供重要的见解。”

催化剂的形状问题

据介绍,关键发现在于,催化剂的形状在制氢过程中所起的作用。Park表示:“催化剂的表面结构,对于确定其是否能优化制氢非常重要。因此,研究人员试图控制催化剂的形状,以及金属和基体材料之间的相互作用。”

首先受益的关键应用包括燃料电池电动汽车加氢站(目前只在加州运营),以及微电网。目前,该团队正在与合作伙伴合作,利用人工智能探索高效制氢的新材料。

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