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科学家们发现了一种新可持续方法来制造用于燃料电池和化肥的氢气

由Ryuhei nakamaru领导的日本理化学研究所可持续资源科学中心(CSRS)的一个研究小组发现了一种从水中生产氢气的可持续和实用的新方法。跟目前的方法不同,这种新方法不需要昂贵或供应短缺的稀有金属。

相反,用于燃料电池和农业肥料的氢气现在可以用钴和锰这两种相当常见的金属来生产。这项研究发表在《Nature Catalysis》上。

跟燃烧时产生二氧化碳的传统化石燃料不同的是,氢气是一种清洁燃料,只产生水作为副产品。如果可以利用可再生电力从水中提取氢气,那么能源网就可以变得清洁、可再生和可持续。此外,氢气是生产氨气所需的关键成分,而氨气几乎用于所有合成肥料。但目前,合成氨工厂不是从水中清洁地提取氢气,而是使用化石燃料来生产他们所需要的氢气。

那么为什么我们还在使用化石燃料?其中一个原因是,氢气提取过程本身--电解--是昂贵的且尚不具有可持续性。

“这主要是由于缺乏良好的催化剂,”Nakamura说道,“除了能够承受恶劣的酸性环境之外,催化剂必须非常活跃。如果不是这样,生产一定数量的氢气所需的反应电量就会飙升,随之而来的是成本的增加。”

目前,用于水电解的最活跃的催化剂是铂和铱这样的稀有金属,这就造成了一个两难的局面,因为它们很昂贵,而且被认为是金属中的“濒危物种”。现在将整个地球转为氢燃料将需要约800年的铱生产量,这个数量可能甚至不存在。另一方面,丰富的金属如铁和镍则不够活跃,往往在恶劣的酸性电解环境中立即溶解。

在寻找更好的催化剂的过程中,研究人员注意到了钴和锰的混合氧化物。钴氧化物对于所需的反应来说可以是活跃的,但在酸性环境中会很快被腐蚀。锰氧化物则更稳定,但活性还不够高。通过结合它们,研究人员希望能利用它们的互补特性。另外,他们还必须考虑实验室外实际应用所需的高电流密度。这项研究的论文共同第一作者Shuang Kong说道:“对于工业规模的氢气生产,我们需要将我们研究的目标电流密度设定为是过去实验中使用的电流密度的10到100倍左右。高电流导致了一些问题,如催化剂的物理分解。”

最终,该团队通过试验和错误克服了这些问题,另外他们还通过将锰插入Co3O4的尖晶石晶格以产生混合钴锰氧化物Co2MnO4发现了一种活跃和稳定的催化剂。

测试表明,Co2MnO4的性能非常好。活化水平则接近于最先进的铱氧化物。此外,新的催化剂在每平方厘米200毫安培的电流密度下持续了两个多月,这可能使它在实际使用中变得有效。跟其他非稀有金属催化剂相比,它们通常只能在低得多的电流密度下持续几天或几周,新的电催化剂则可能是一个游戏规则的改变者。

研究论文共同第一作者Ailong Li指出:“我们已经实现了数十年来科学家们都无法实现的目标。使用由丰富的金属制成的高活性和稳定的催化剂来生产氢气。从长远来看,我们相信这是朝着创造一个可持续的氢气经济迈出的一大步。就像其他可再生技术如太阳能电池和风力发电,我们预计随着更多的进展,绿色氢气技术的成本在不久的将来会急剧下降。”

实验室的下一步将是找到延长新催化剂的寿命并进一步提高其活性水平的方法。“总是有改进的余地。我们继续努力寻找一种非稀有金属催化剂从而使其性能跟目前的铱和铂催化剂相匹配,”Nakamaru说道。

来源:cnBeta.COM