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新型制氢催化剂方式出炉

2016-09-18       682

新能源科学领域中,氢燃料是公认的清洁能源,但目前人类获取纯氢能的方式主要靠化石燃料,氢能取代化石燃料本身就是为了最大限度地减弱温室效应,但是制造氢能源又需要耗费化石燃料,为氢能源的普及利用造成难解。因此,要想降低温室气体排放、开发可再生清洁能源,离不开分解水制氢这一方式。

以水为原材料制造氢气各种各样的缺点,比如辅助材料成本太高、反应能量要求太高、合成催化剂不能在现实条件上稳定存在等。植物早就通过光合作用学会了怎样分解水,然而人类不得不为复制这一过程拼命努力。

目前,全世界每年生产5000万吨氢气,其中95%来自化石燃料,通过甲烷水蒸气重整制氢。在普通的分解水的化学反应中,析氧反应是出了名的速度慢,给制备氢气拖后腿。而科学家最近首次发现酸性条件下依旧有效的催化剂,这种薄膜晶体催化剂可以大大提高反应效率,并降低反应活化能,令水解制氢厂指日可待。

“虽然光合作用分解水的过程非常高效,但是人工的反应根本比不上。”斯坦福大学化学工程学院界面科学和催化反应研究中心(SUNCAT Center for Interface Science and Catalysis)的研究人员托马斯·哈拉米约(Thomas Jaramillo)称。

托马斯和同事长期致力于开发析氧反应的催化剂,以求让合成催化剂持续时间更长,催化反应速度更快,或者降低反应所需的能量。这些改进都能够降低反应成本,提高反应效率,让生产氢气变得更为清洁高效。

《科学》期刊在上周刊登了该团队的研究成果,他们研究的新催化剂对环境要求不高,但效果空前。

“本次研究最重要的成果在于,我们发现的催化剂可以在酸里稳定存在。而且催化剂的效果前所未见。”斯坦福科学家,上述《科学》文章联合署名作者疋田育之(Hikita Yasuyuki)如是评价这次研究。

对于析氧反应的催化剂来说,一个很重要的评判标准是过电位,即推动反应开始所需要的电压。此前的记录是320毫伏,而这种新催化剂把反应所需的过电位降到了270毫伏到290毫伏之间。

疋田称,这一新记录可以大大提高反应效率,大幅降低大规模生产氢气所需的能耗。有了这种新催化剂,制氢厂指日可待。

这一前景光明的催化剂是一种薄膜晶体,由一层二氧化铱(iridium oxide)和一层Sr2IrO4(strontium iridium oxide)组成。因为薄膜晶体又平又薄,使研究员更容易比较催化反应的效果。二氧化铱是目前人类发现的唯一一种可以在酸里生效的催化剂。

研究团队还发现,随着反应的进行,这种催化剂的效果越来越好。在对催化剂进行测量之后,研究人员发现催化剂的表面发生了变化,但目前还没能解释催化的具体机理。科学家也承认:“我们还不知道微观层面发生了什么。我们只知道有一部分锶离子离开催化剂,进入了溶液。”

研究团队正在进行进一步的研究,希望能够降低催化剂的生产成本,提高催化效果,还要探索催化反应背后究竟为什么效果如此之好。铱的价格非常高,因此他们试图用最少的铱达到最好的效果。不过,这种催化剂离实际工业生产还有很大的距离,降低催化剂成本是研究的重中之重。

“在开发催化剂的路上,我们只迈开了一小步,还有广阔的进步空间。”托马斯如是说,“有朝一日,我们可能开发出效果比现在好百万倍的催化剂。


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