一种更高效的绿色氢气生产催化剂

气候危机需要增加太阳能和风能等可再生能源的使用，但由于间歇性可用，可扩展的能源存储是一个挑战。

氢——尤其是无碳绿色氢——已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储存选择。它不会向大气中增加碳排放，但目前制造成本高且复杂。

生产绿色氢的一种方法是电化学水分解。该过程涉及在催化剂(反应增强物质)的存在下通过水运行电流以产生氢气和氧气。

佐治亚理工学院和佐治亚理工学院 (GTRI) 的研究人员开发了一种新的水分解工艺和材料，可最大限度地提高绿色氢气的生产效率，使其成为希望转化为绿色氢气的工业合作伙伴的负担得起且易于使用的选择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。

乔治亚理工学院的调查结果发布之际，气候专家一致认为，氢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，拜登政府设定了在十年内将清洁氢气成本降低 80% 的目标。由能源部牵头的计划被称为“氢气喷射”，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代替目前用于在电网层面存储额外电能的天然气和煤炭，因为它不会导致碳排放，使其成为一种更环保的可再生电力存储方式。他们的研究重点是电解，或使用电将水分解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，使绿色氢成本更低、更耐用。今天，该工艺依赖于昂贵的贵金属成分，例如铂和铱，它们是通过大规模电解生产氢气的首选催化剂。这些元素昂贵且稀有，这阻碍了以氢为基础的能源替代天然气的行动。事实上，市场研究公司 Wood Mackenzie 的数据显示，到 2020 年，绿色氢气在氢气年产量中的占比不到 1%，很大程度上是因为这笔费用。

“我们的工作将减少这些贵金属的使用，增加其活性和利用选择，”研究首席研究员、乔治·W·伍德拉夫机械工程学院副教授、电化学储能专家 Seung Woo Lee 说和转换系统。

在《应用催化 B：环境与能源与环境科学》杂志上发表的研究中，Lee 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。

“我们设计了一种新型催化剂，我们提出了一种使用更少贵金属的更好的氧化物基材，”Lee 说。“这些混合催化剂在氧气和氢气(分裂)方面表现出优异的性能。”

纳米级分析

他们的工作依赖于研究合作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加速器，一种足球场大小的超级 X 射线。

“使用 X 射线，我们可以在纳米尺度上监测水分解过程中催化剂的结构变化，”Lee 解释说。“我们可以在操作条件下研究它们的氧化态或原子构型。”

GTRI 的研究科学家和该研究的首席研究员 Jinho Park 表示，这项研究可以帮助降低绿色氢气生产中使用的设备成本障碍。除了开发混合催化剂外，研究人员还微调了控制催化剂形状以及金属相互作用的能力。关键优先事项是减少系统中催化剂的使用，同时提高其耐用性，因为催化剂占设备成本的主要部分。

“我们希望在不降低其性能的情况下长期使用这种催化剂，”他说。“我们的研究不仅专注于制造新催化剂，还致力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的水分解反应的基本理解，并将为其他研究人员提供重要的见解。这个领域，”帕克说。

催化剂形状很重要

帕克说，一个关键的发现是催化剂的形状在产生氢气中的作用。“催化剂的表面结构对于确定它是否针对制氢进行了优化非常重要。这就是为什么我们试图控制催化剂的形状以及金属与基材之间的相互作用，”他说。

帕克说，一些首先受益的关键应用包括燃料电池电动汽车的加氢站，目前仅在加利福尼亚州运营，微电网是一种新的社区方法，用于设计和运营依赖可再生能源驱动的备用电网力量。

虽然 XYZ 的研究进展顺利，但该团队目前正在与合作伙伴合作，探索利用人工智能 (AI) 高效生产氢气的新材料。