新型催化劑不含稀有金屬 可提高反應活性/降低制氫成本
日本理化學研究所可持續(xù)資源科學中心(CSRS)等機構的研究團隊發(fā)現了一種從水中提取氫的新方法。這種新方法可持續(xù)、實用，不需要使用昂貴且儲量較少的稀有金屬。與當前方法不同，現在可以使用鈷和錳這兩種常見的金屬來生產氫，以用于燃料電池和農業(yè)肥料。
傳統化石燃料在燃燒時產生二氧化碳。相比之下，氫是一種清潔燃料，所產生的副產物只有水。如果利用可再生電力從水中提取氫氣，可使電網變得清潔、可再生且可持續(xù)。此外，氫是生產氨所需的關鍵成分，而幾乎所有的合成肥料都要用到氨。目前，氨廠使用化石燃料生產所需的氫，而不是利用水清潔制氫。
但是，目前的水電解制氫過程成本高且不可持續(xù)。這主要是因為缺乏良好的催化劑，除了能承受惡劣的酸性環(huán)境，催化劑還必須具有非常高的活性。反之，制取一定量氫所需的電量就會飆升，成本也將隨之升高。目前最活躍的水電解催化劑是鉑、銥等稀有金屬。這些金屬價格昂貴，被認為是金屬中的“瀕危物種”。現在，要實現全球改用氫燃料，大約需要800年的銥產量，地球上可能根本沒有這么多的銥。另一方面，鐵、鎳等金屬儲量豐富，但活性不夠，在惡劣的酸性電解環(huán)境中有可能立即溶解。
為了尋找更好的催化劑，研究人員著眼于鈷和錳的混合氧化物。鈷氧化物具有必要的反應活性，但在酸性環(huán)境中腐蝕得非常快。錳氧化物更加穩(wěn)定，然而不夠活躍。研究人員將二者結合在一起，希望充分利用互補特性。此外，還必須考慮到實際應用時所需的高電流密度。研究人員Kong Shuang表示：“對于工業(yè)規(guī)模制氫，需要將目標電流密度設定為以往實驗值的10-100倍。這種高電流會引起諸多問題，如催化劑物理分解。”
最終，該團隊通過反復試驗克服了這些問題。通過在Co3O4的尖晶格中插入錳生產出混合鈷錳氧化物Co2MnO4，從而發(fā)現了一種活躍、穩(wěn)定的催化劑。測試表明，Co2MnO4性能良好，其活躍程度接近領先的銥氧化物。此外，在電流密度為200毫安/平方厘米的情況下，這種新催化劑可以使用兩個多月，有望有效地投入實際應用。相比之下，在電流密度低得多的情況下，其他非稀有金屬催化劑通常只能使用幾天或幾周。這種新型電催化劑或將改變游戲規(guī)則。
研究人員預計，隨著技術進步，綠色氫燃料技術的成本，將在不久的將來大幅下降。研究人員將繼續(xù)尋找方法，以延長新催化劑的使用壽命，并進一步提高其活性水平。
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