从水中提取清洁燃料

30 年 2023 月 XNUMX 日 (Nanowerk新闻）充足的清洁能源供应正潜伏在人们的视线中。 这就是我们可以从水中提取的氢（H2O) 使用可再生能源。 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气以替代化石燃料的低成本方法。 氢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，使用更清洁的氢气是非常理想的。 由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桑迪亚国家实验室和劳伦斯伯克利国家实验室以及 Giner Inc。这项研究发表在 科学 (“用于质子交换膜电解的La和Mn掺杂钴尖晶石析氧催化剂”). 在与水的电催化反应过程中，由纤维状、相互连接的催化剂颗粒（右）产生的氧气泡。 左侧为钴基催化剂的晶格结构。 （图片：阿贡国家实验室/Lina Chong 和 Longsheng Wu，使用 Shutterstock 背景）“一种称为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，”阿贡国家实验室的高级化学家 Di-Jia Liu 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) 电解槽代表了该工艺的新一代技术。 它们可以在接近室温的情况下以更高的效率将水分解为氢气和氧气。 能源需求的减少使它们成为利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。 阴极催化剂产生氢气，而阳极催化剂形成氧气。 问题是阳极催化剂使用铱，目前市场价格约为每盎司 5,000 美元。 铱的供应不足和成本高昂是质子交换膜电解槽广泛采用的主要障碍。 新催化剂的主要成分是钴，它比铱便宜得多。 “我们试图在质子交换膜电解槽中开发一种低成本阳极催化剂，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，可以消除电解槽中生产清洁氢气的主要成本瓶颈。” Giner Inc. 是一家致力于电解槽和燃料电池商业化的领先研发公司，在工业操作条件下使用其 PEM 电解槽测试站评估了新型催化剂。 性能和耐用性远远超过竞争对手的催化剂。 对于进一步提高催化剂性能来说，重要的是了解电解槽操作条件下原子尺度的反应机理。 该团队通过阿贡先进光子源 (APS) 的 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) 使用电子显微镜识别了关键的催化剂特征。 APS 和 CNM 都是美国能源部科学办公室的用户设施。 “我们对新催化剂表面的原子结构在制备的各个阶段进行了成像，”阿贡国家实验室材料科学家建国文说。 此外，伯克利实验室的计算模型揭示了反应条件下催化剂耐久性的重要见解。 该团队的成就是美国能源部效仿美国的氢能 Earthshot 计划向前迈出的一步 1960 世纪 XNUMX 年代太空计划的“登月”。 其雄心勃勃的目标是在十年内将绿色氢的生产成本降低至每公斤一美元。 以这样的成本生产绿色氢可能会重塑国家经济。 应用包括电网、制造、运输以及住宅和商业供暖。

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• Sumber: https://www.nanowerk.com/news2/green/newsid=63079.php