研究人员开发出用于清洁制氢的先进催化剂

俄勒冈州立大学对催化剂设计的研究表明，与目前市售的催化剂相比，氢气可以以更高的效率和更低的成本清洁生产。

催化剂是一种增加化学反应速率而自身不发生任何永久性化学变化的物质。

俄勒冈州立大学工程学院化学工程教授冯振兴说，这些发现意义重大，因为氢气的生产对“我们生活的许多方面都很重要，例如汽车燃料电池和氨等许多有用化学品的制造”。谁领导了这项研究。“它还用于精炼金属、生产塑料等人造材料以及用于一系列其他用途。”

冯说，与通过被称为甲烷蒸汽重整的二氧化碳生产过程从天然气中提取氢气的传统方法相比，通过电化学催化过程分解水来生产氢气更清洁、更可持续。但更环保技术的成本一直是市场上的障碍。

新发现描述了设计催化剂的方法，可以大大提高清洁氢气生产过程的效率，发表在《科学进展》和《JACS Au》上。

冯说，在促进反应过程中，催化剂经常会发生结构变化。有时这些变化是可逆的，有时是不可逆的，并且不可逆的重组被认为会降低催化剂的稳定性，导致催化活性的丧失，从而降低反应效率。

冯，俄勒冈州立大学博士学生王茂宇及其合作者研究了反应中催化剂的重组，然后在原子尺度上操纵它们的表面结构和组成，以实现高效的制氢催化过程。

基于无定形氢氧化铱的催化剂活性相的效率是其原始钙钛矿结构的 150 倍，并且比常见的商业催化剂氧化铱好接近三个数量级。

“我们发现至少有两组材料发生了不可逆的变化，结果证明它们是显着更好的制氢催化剂，”冯说。“这可以帮助我们以每公斤 2 美元的价格生产氢气，最终以每公斤 1 美元的价格生产氢气。这比当前行业的污染过程成本更低，并将有助于实现美国到 2030 年实现零排放的目标。”

Feng 指出，美国能源部氢能和燃料电池技术办公室已经建立了技术基准，这些技术基准可以在 2025 年之前以每公斤 2 美元和到 2030 年每公斤 1 美元的价格生产清洁氢，作为氢能 Earthshot 降低清洁成本的目标的一部分。在 10 年内，氢气价格从每公斤 5 美元提高到 1 美元，提高了 80%。

冯氏课题组重点研究的水电解清洁制氢技术是利用可再生能源的电力，将水分解成清洁的氢气。然而，他说，水分解的效率很低，主要是由于该过程中的一个关键半反应，即氧气释放的高过电位——电化学反应的实际电位和理论电位之间的差异。反应或 OER。

“催化剂对于通过降低过电位来促进水分解反应至关重要，从而降低制氢的总成本，”冯说。“我们在 JACS Au 的第一项研究为我们奠定了基础，正如我们在《科学进展》文章中所展示的，我们现在可以更好地操纵表面上的原子来设计具有所需结构和组成的催化剂。”

美国国家科学基金会通过俄勒冈州立大学的西北纳米技术基础设施站点支持冯的研究，能源部也提供了资金。

与冯和王合作的是来自阿贡国家实验室、德克萨斯大学、北京大学、太平洋西北国家实验室、西北大学、华南理工大学、剑桥大学、加州大学伯克利分校和新加坡南洋理工大学的研究人员大学。