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更高效的新型電解水催化劑

來源:環球科學

人們需要更深入地理解尖晶石氧化物催化水電解的原理,以改善其性能,并進而提升電解過程的效率。日前,由新加坡南洋理工大學(NTU)領導的團隊通過辨識影響催化性能的因素,設計出一種性能更好的新型尖晶石氧化物,向氫能源經濟又“邁進了一步”。(圖片來源:NTU Singapore)

NTU領導的一支科研團隊發現了決定尖晶石氧化物(一類低成本催化劑)催化率的關鍵參數,突破了利用電解水提取氫氣的技術瓶頸。

電解水提取氫氣的最大難點在于高能耗帶來的高成本。因此必須借助催化劑來加速電解過程中的化學反應。

近年來,通常由低成本過渡金屬制造的尖晶石氧化物引起了科研人員的關注,這一穩定且廉價的催化劑有望克服電解水能耗高的問題;然而,對其催化機理的不了解卻阻礙了人們設計高性能尖晶石氧化物。

如今,來自新加坡南洋理工大學(NTU)的副教授Jason Xu Zhichuan與他的團隊取得了兩項重要進展。他們從原子層面揭示了尖晶石氧化物加速水電解的機理。基于這一認識,該團隊利用機器學習篩選出了催化活性更高的新型尖晶石氧化物,從而提升了電解水的效率。

這些發現使得該團隊距離將電解水作為大規模制備氫氣的手段又近了一步,同時新加坡能源市場管理局也在重點關注這一制氫途徑,并將其作為完成“截至2050年將新加坡峰值碳足跡降低一半”的目標的備選方案之一。這與全球發展趨勢吻合,比如歐盟在不久前宣布將氫戰略作為達成“歐洲綠色協議——2050氣候中立”目標的重要解決方案之一。


圖片來源:Pixabay

NTU材料科學與工程學院的Xu副教授認為:“為改善尖晶石氧化物的催化性能,我們需要更深入地理解其加速水電解的內在機理。現在,通過辨識影響尖晶石氧化物催化性能的關鍵參數,我們能夠設計出性能更優異的新型尖晶石氧化物,幫助我們實現氫能源經濟。”

這項發現發表在《自然·催化》(Nature Catalysis)上。

向氫燃料經濟前進

利用風能、太陽能等可再生能源電解水并制取氫氣,是生產氫燃料的一種極具吸引力的途徑,而氫燃料則非常有潛力替代在發電、運輸和燃料加注過程中使用的化石燃料。

包括鋰離子電池在內的傳統儲能設備會隨時間逐漸老化并喪失充電能力,而氫氣作為能量載體則是一種可行的儲能替代方案。

水在電解槽中電解的過程伴有兩個主要的化學反應:其中一個產生氫氣,另一個產生氧氣,通過薄膜可將兩種產物隔開。

Xu副教授同時還是NTU能源研究所的一員,他表示,電解水過程主要的瓶頸是在另一側電極產生氧氣的析氧反應。

他接著說道:“析氧反應直接決定了利用電解水制備氫氣的設備的效率;然而該反應卻相對緩慢,降低了整個能量轉化率。因此我們需要類似金屬氧化物這樣的催化劑來加速這一過程。”


圖片來源:Pixabay

盡管貴金屬氧化物已被證明是最先進的催化劑,能夠降低能耗并提升能量轉化率,然而它們的稀缺性、高成本和低耐久性卻限制了大規模應用。

Xu副教授談到,尖晶石氧化物具有低成本和存量豐富的優點,通過合理設計其中參數(比如采用過渡金屬制造尖晶石氧化物)以提高催化能力,將有望成為貴金屬氧化物的替代材料。

該團隊基于辨識出的關鍵參數,利用含有超過300種尖晶石氧化物的數據集訓練出了一個機器學習模型,從而可以在數秒內篩選并預測任何一種尖晶石氧化物的效率。

利用這種方法,該團隊發現了一種由錳和鋁組成、催化活性極高的新型氧化物,且已經過實驗檢驗。

Xu副教授認為:“盡管具備設計高性能催化劑的能力極大地推進了利用電解水制備氫氣的技術,但在規模化生產之前還有兩個瓶頸亟待突破。首先,我們需要改良堿性電解池中的薄膜使其支持長時間制備氫氣。待這一問題解決之后,我們便會配合工程同事并嘗試將以上所有的改進整合到工業水平的電解槽。”

翻譯:張宇哲

審校:董子晨曦

引進來源:新加坡南洋理工大學

引進鏈接:https://phys.org/news/2020-08-scientists-catalysts-efficient.html

 

本文來自:環球科學
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