使用铂镍催化剂将能量存储在氢气中的效率提高 20 倍

催化剂加速化学反应，但广泛使用的金属铂稀缺且昂贵。埃因霍温科技大学 (TU/e) 的研究人员与中国、新加坡和日本的研究人员一起，现已开发出一种活性高 20 倍的替代品：一种具有镍和铂合金中空纳米笼的催化剂。TU/e 研究员 Emiel Hensen 希望在未来使用这种新催化剂开发约 10 兆瓦的冰箱大小的电解槽。研究结果将于 11 月 15 日发表在《科学》杂志上。

到 2050 年，国家政府的目标是从太阳能或风能等可持续能源中获得荷兰几乎所有的能源需求。由于这些能源并非始终可用，因此能够存储所产生的能量非常重要。鉴于其能量密度低，电池不适合存储非常大量的能量。更好的解决方案是化学键，氢气是最明显的气体选择。电解槽使用水将(过量的)电能转化为可以储存的氢气。在稍后阶段，燃料电池会做相反的事情，将储存的氢气转换回电能。这两种技术都需要催化剂来推动这一过程。

有助于这些转化的催化剂——由于其高活性——主要由铂制成。但铂金非常昂贵且相对稀缺;如果我们想大规模使用电解槽和燃料电池，这是一个问题。TU/e 催化教授 Emiel Hensen：“因此，来自中国的研究人员开发了一种铂镍合金，可降低成本并提高活性。”有效的催化剂具有高活性;它每秒将更多的水分子转化为氢气。Hensen 继续说道：“在 TU/e，我们研究了镍对关键反应步骤的影响，为此我们开发了一个基于电子显微镜图像的计算机模型。通过量子化学计算，我们能够预测镍的活性。新合金，我们可以理解为什么这种新催化剂如此有效。

在燃料电池中成功测试

除了金属的其他选择外，研究人员还能够对形态做出重大改变。催化剂中的原子必须与水和/或氧分子结合才能转化它们。因此，更多的结合位点将导致更高的活性。Hensen：“您希望尽可能多地提供金属表面。开发的中空纳米笼可以从外部和内部进入。这会产生很大的表面积，允许更多材料同时反应。”此外，Hensen 通过量子化学计算证明了纳米笼的特定表面结构进一步提高了活性。

在 Hensen 的模型中计算后发现，两种溶液结合起来的活性是目前铂催化剂的 20 倍。研究人员还在燃料电池的实验测试中发现了这一结果。“对许多基础工作的一个重要批评是它在实验室中发挥作用，但是当有人将其放入真实设备中时，它通常不起作用。我们已经证明这种新催化剂在实际应用中起作用。 "催化剂的稳定性必须能够在未来几年内继续在氢燃料汽车或房屋中工作。因此，研究人员在燃料电池中对催化剂进行了 50,000 次“圈”测试，结果发现其活性下降可以忽略不计。

各区电解槽

这种新催化剂的可能性是多方面的。无论是燃料电池的形式还是电解槽中的逆反应。例如，燃料电池用于氢动力汽车，而一些医院已经拥有配备氢动力燃料电池的应急发电机。例如，可以在海上风电场或什至在每个风力涡轮机旁边使用电解器。运输氢气比运输电力便宜得多。

Hensen 的梦想更进一步：“我希望我们很快能够在每个社区安装电解槽。这个冰箱大小的设备在白天将社区屋顶太阳能电池板的所有能量存储为氢气。地下气体未来管道将输送氢气，家用集中供暖锅炉将被燃料电池取代，燃料电池将储存的氢气转化为电能。这就是我们可以充分利用太阳的方式。”

但要做到这一点，电解槽仍需要进行相当大的发展。因此，Hensen 与来自布拉班特地区的其他 TU/e 研究人员和工业合作伙伴一起参与了 TU Eindhoven 能源研究所的启动。其目的是将目前的商用电解槽扩大到约 10 兆瓦的冰箱大小的电解槽。