成本更低的新型催化剂 有望替代绿氢生产中的贵金属

2022年01月21日 阅读量:15

气候危机要求加大对太阳能和风能等可再生能源的使用,但由于其间歇性的可用性,可扩展的能源储存是一个挑战。

 

氢气--特别是无碳的绿色氢气--已经成为太阳能和风能等可再生能源的一种有前途的清洁能源载体和存储选择。它不会向大气层增加碳排放,但目前制造成本高且复杂。

 

生产绿色氢气的一种方法是电化学水分离。这个过程包括在催化剂(反应增强物质)存在的情况下,让电通过水来产生氢气和氧气。

 

佐治亚理工学院和佐治亚理工学院(GTRI)的研究人员已经开发出一种新的水分离工艺和材料,最大限度地提高了生产绿色氢气的效率,使其成为那些希望转换为绿色氢气用于可再生能源储存,而不是从天然气中生产传统的碳排放氢气的工业合作伙伴可以负担得起和容易获得的选择。

 

气候专家们一致认为,氢气对于世界顶级工业部门实现其净零排放目标至关重要。去年夏天,拜登政府制定了一个目标,在十年内将清洁氢气的成本降低80%。这个由能源部牵头的倡议被称为 "氢弹",旨在到2030年将 "清洁 "或绿色氢气的成本降低到每公斤1美元。

 

科学家们希望用绿色氢气取代目前用于在电网层面储存额外电能的天然气和煤炭,因为它不会造成碳排放,使其成为储存可再生电力的更环保的手段。他们研究的重点是电解,或使用电力将水分成氢气和氧气的过程。

 

成本更低、更耐用的材料

 

佐治亚理工学院的研究团队希望使用混合材料作为电催化剂,使绿色氢气的成本更低、更耐用。今天,这个过程依赖于昂贵的贵金属成分,如铂和铱,是通过电解大规模生产氢气的首选催化剂。这些元素既昂贵又稀少,这使取代气体的氢基动力的行动停滞不前。事实上,根据市场研究公司Wood Mackenzie的数据,绿色氢气在2020年的氢气年产量中占比不到1%,这在很大程度上是因为这种费用。

 

"我们的工作将减少这些贵金属的使用,增加它的活性以及利用选择。"研究的主要调查者Seung Woo Lee说,他是George W. Woodruff机械工程学院的副教授,也是电化学能量储存和转换系统的专家。

 

在发表于《应用催化B》杂志的研究中,李和他的团队强调了金属纳米颗粒和金属氧化物之间的相互作用,以支持高性能混合催化剂的设计。

 

"我们设计了一类新的催化剂,我们想出了一种更好的氧化物基质,使用较少的贵族元素,这些混合催化剂在氧气和氢气(分裂)方面都显示出卓越的性能。"李说。

 

纳米级的分析

 

他们的工作依赖于研究伙伴韩国能源研究所的计算和建模,以及庆北国立大学和俄勒冈州立大学的X射线测量,后者利用了该国的同步辐射器,一个足球场大小的超级X射线。

 

利用X射线,我们可以在分水过程中监测催化剂的结构变化,在纳米尺度上,我们可以研究它们在操作条件下的氧化状态或原子构型。

 

GTRI的研究科学家和该研究的主要调查者Jinho Park说,这项研究可以帮助降低绿色制氢中使用的设备成本障碍。除了开发混合催化剂,研究人员还对控制催化剂的形状以及金属的相互作用的能力进行了微调。关键的优先事项是减少催化剂在系统中的使用,同时提高其耐久性,因为催化剂占设备成本的主要部分。

 

他们希望长期使用这种催化剂而不降低其性能。我们的研究不仅集中于制造新的催化剂,而且还集中于了解其背后的反应机制。我们相信,我们的努力将有助于支持对催化剂上水分离反应的基本理解,并将为该领域的其他研究人员提供重要的见解。

 

催化剂的形状很重要

 

据Park说,一个关键的发现是催化剂的形状在生产氢气中的作用。催化剂的表面结构对于确定它是否对制氢进行了优化是非常重要的。这就是为什么我们试图控制催化剂的形状,以及金属和基底材料之间的相互作用。。

 

首先受益的一些关键应用包括燃料电池电动车的氢气站(目前只在加利福尼亚州运营)和微电网,这是一种新的社区电网设计和运营方法,依靠可再生驱动的备用电源。

 

虽然对XYZ的研究进展顺利,但该团队目前正在与合作伙伴合作,利用人工智能(AI)探索高效制氢的新材料。

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