从水中提取清洁燃料

大量的清洁能源正潜伏在人们的视线中。我们可以使用可再生能源从水中提取氢 (H 2 O)。作为应对气候变化的一部分，科学家们正在寻找从水中生产清洁氢以替代化石燃料的低成本方法。

氢气可以为车辆提供动力，同时只排放水。氢气也是许多工业过程的重要化学品，尤其是在炼钢和氨生产中。在这些行业中，非常需要使用更清洁的氢气。

“通过使用我们的方法制备的钴基催化剂，可以消除在电解槽中生产清洁氢气的主要成本瓶颈。” ——Argonne 高级化学家 Di-Jia Liu

由能源部 (DOE) 阿贡国家实验室领导的一个多机构团队开发了一种低成本催化剂，用于从水中产生清洁氢气的过程。其他贡献者包括能源部的桑迪亚国家实验室和劳伦斯伯克利国家实验室，以及 Giner 公司。

“一种叫做电解的过程从水中产生氢气和氧气，已经存在了一个多世纪，”阿贡高级化学家刘迪佳说。他还在芝加哥大学普利兹克分子工程学院担任联合职务。

质子交换膜 (PEM) 电解槽代表了该过程的新一代技术。它们可以在接近室温的条件下以更高的效率将水分解为氢气和氧气。减少的能源需求使它们成为使用太阳能和风能等可再生但间歇性能源生产清洁氢气的理想选择。

该电解槽的每个电极(阴极和阳极)都使用单独的催化剂运行。阴极催化剂产生氢气，而阳极催化剂形成氧气。一个问题是阳极催化剂使用铱，目前的市场价格约为每盎司 5,000 美元。铱的供应不足和高成本构成了广泛采用 PEM 电解槽的主要障碍。

新催化剂的主要成分是钴，比铱便宜得多。â�<“我们试图在 PEM 电解槽中开发一种低成本的阳极催化剂，该催化剂能够以高通量产生氢气，同时消耗最少的能量，”刘说。“通过使用我们的方法制备的钴基催化剂，可以消除在电解槽中生产清洁氢气的主要成本瓶颈。”

致力于电解槽和燃料电池商业化的领先研发公司 Giner Inc. 在工业操作条件下使用其 PEM 电解槽测试站对新型催化剂进行了评估。性能和耐用性远远超过竞争对手的催化剂。

进一步提高催化剂性能重要的是了解电解槽操作条件下原子尺度的反应机理。该团队通过在阿贡的高级光子源 (APS) 上使用 X 射线分析，破译了催化剂在操作条件下发生的关键结构变化。他们还在桑迪亚实验室和阿贡纳米材料中心 (CNM) 使用电子显微镜确定了催化剂的关键特征。APS 和 CNM 都是 DOE 科学办公室用户设施。

“我们在不同制备阶段对新催化剂表面的原子结构进行了成像，”阿贡材料科学家温建国说。

此外，伯克利实验室的计算模型揭示了催化剂在反应条件下的耐久性的重要见解。

该团队的成就是 DOE 的氢能 Earthshot 计划向前迈出的一步，该计划模仿了 1960 年代太空计划的“登月计划”。其雄心勃勃的目标是在十年内将绿色制氢的成本降低到每公斤一美元。以这样的成本生产绿色氢可以重塑国家经济。应用包括电网、制造、运输以及住宅和商业供暖。

“更一般地说，我们的结果为用更便宜、更丰富的元素取代由昂贵的贵金属制成的催化剂开辟了一条有前途的道路，”刘指出。