美國(guó)能源部(DepartmentofEnergy)SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室(SLACNationalAcceleratorLaboratory)和斯坦福大學(xué)(StanfordUniversity)的研究人員首次證明，一種廉價(jià)的催化劑可以在商業(yè)設(shè)備與惡劣環(huán)境中連續(xù)數(shù)小時(shí)分解水并產(chǎn)生氫氣。

電解槽技術(shù)，基于聚合物電解質(zhì)膜(PEM)，有可能利用可再生能源大規(guī)模生產(chǎn)氫，但高成本的貴金屬催化劑，如鉑和銥一直阻礙著其發(fā)展。

研究人員今天在《自然-納米技術(shù)》雜志上報(bào)告說，這項(xiàng)研究為找到更便宜的催化劑解決方案指明了方向。

(圖片來自：GregStewart/SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室)

“氫氣是一種非常重要的工業(yè)化學(xué)物質(zhì)，可以用來制造燃料和肥料等產(chǎn)品，”領(lǐng)導(dǎo)該研究小組的SUNCAT界面科學(xué)與催化中心主任托馬斯·哈拉米略(ThomasJaramillo)說。“它也是一種清潔、高能量的分子，可以用于燃料電池或儲(chǔ)存太陽(yáng)能和風(fēng)能等可變能源產(chǎn)生的能量。但今天產(chǎn)生的大部分氫是由化石燃料制造的，增加了大氣中的二氧化碳水平。我們需要一種低成本的方式，用清潔能源來生產(chǎn)。”

從昂貴的金屬到便宜、豐富的材料

多年來，人們一直在為PEM系統(tǒng)開發(fā)貴金屬催化劑的替代品。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)許多被證明可以在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下工作的材料，但Jaramillo說，據(jù)他所知，這是首次在商業(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，由NelHydrogen生產(chǎn)，NelHydrogen是世界上歷史最悠久和規(guī)模最大的電解設(shè)備制造商。

實(shí)驗(yàn)中使用的工業(yè)電解槽。噴有催化劑粉末的電極堆積在中心金屬板內(nèi)，用螺栓和墊圈壓縮固定。水通過右邊的管子流入，氫氣和氧氣通過左邊的管子排出。(圖片來自：NelHydrogen)

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。產(chǎn)生氫氣和氧氣的反應(yīng)是在不同的電極上使用不同的貴金屬催化劑進(jìn)行的。在這種情況下，NelHydrogen小組用一種由沉積在碳上的磷化鈷納米顆粒組成的催化劑取代了產(chǎn)氫側(cè)的鉑催化劑，形成一種精細(xì)的黑色粉末，由SLAC和斯坦福大學(xué)的研究人員制造。就像其他催化劑一樣，它把其他化學(xué)物質(zhì)聚集在一起，促使它們發(fā)生反應(yīng)。

磷化鈷催化劑在整個(gè)測(cè)試過程(超過1,700小時(shí))內(nèi)運(yùn)行地非常出色，這表明它足夠在日常反應(yīng)中使用，該實(shí)驗(yàn)由SUNCAT研究工程師LaurieKing領(lǐng)導(dǎo)。

斯坦福大學(xué)的研究生麥肯齊·休伯特(McKenzieHubert)所用的設(shè)備可以在實(shí)驗(yàn)室中測(cè)試廉價(jià)催化劑。SLAC和斯坦福大學(xué)SUNCAT中心主任ThomasJaramillo領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)首次展示了這種廉價(jià)材料可以在商用電解槽中實(shí)現(xiàn)高性能。(圖片來自：JacquelineOrrell/SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室)

“我們小組已經(jīng)研究了這種催化劑和相關(guān)材料一段時(shí)間，”休伯特說，“并且我們從基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的實(shí)驗(yàn)階段開始，通過在工業(yè)操作條件下對(duì)其進(jìn)行測(cè)試，在該條件下你需要覆蓋更大的表面具有催化劑的區(qū)域，它必須在更具挑戰(zhàn)性的條件下發(fā)揮作用。”

該研究最重要的要素之一是擴(kuò)大磷化鈷催化劑的產(chǎn)量，同時(shí)保持其可以非常均勻-該過程涉及在實(shí)驗(yàn)室工作臺(tái)上合成原材料，用研缽和研杵研磨，在爐中烘烤以及最后將非常細(xì)的黑色粉末變成墨水，然后將其噴在多孔碳紙上。將所得的大幅面電極裝入電解池以進(jìn)行制氫測(cè)試。

大規(guī)模生產(chǎn)氫氣

雖然電解槽的開發(fā)是由特種部資助的，特種部對(duì)特種用電解產(chǎn)生氧氣方面很感興趣，但Jaramillo說，這項(xiàng)工作也符合美國(guó)能源部的H2@Scale計(jì)劃，該計(jì)劃帶來了DOE實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)界的共同努力，推動(dòng)了氫在許多應(yīng)用中可以負(fù)擔(dān)得起的生產(chǎn)、運(yùn)輸、儲(chǔ)存和使用氫氣的趨勢(shì)。基礎(chǔ)催化劑研究由美國(guó)能源部科學(xué)辦公室資助。

(圖片來自：GregStewart/SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室)

Nel研究與開發(fā)副總裁兼該論文的合著者KatherineAyers說：“合作使我們有機(jī)會(huì)了解這些催化劑能否長(zhǎng)期穩(wěn)定，并為我們提供了一個(gè)機(jī)會(huì)來了解它們與鉑金相比，能否提供更好的性能。”

她說：“磷化鈷催化劑的性能需要提高一些，并且其合成規(guī)模必須擴(kuò)大。但是我對(duì)這些材料的穩(wěn)定性感到驚訝。盡管它們產(chǎn)生氫氣的效率仍低于鉑金，但它是恒定的。在這種環(huán)境下，很多因素都可能導(dǎo)致退化。”

Ayers說，雖然鉑催化劑僅占用PEM制造氫氣總成本的8％左右，但事實(shí)是，貴金屬市場(chǎng)如此動(dòng)蕩，價(jià)格不斷的上下波動(dòng)，這可能會(huì)阻礙該技術(shù)的發(fā)展。隨著PEM電解技術(shù)其他方面的改進(jìn)，以及對(duì)氫氣不斷增長(zhǎng)的需求，降低和穩(wěn)定催化劑的成本將變得越來越重要。