科学家发现新型催化剂可实现更高效水解制氢

新加坡南洋理工大学(NTU Singapore)领导的一个科学家团队发现了决定尖晶石氧化物的低成本催化剂效率的参数,这一发现突破了通过电解法从水中提取氢气的瓶颈。

科学家发现新型催化剂可实现更高效水解制氢

这一过程的主要挑战在于水电解过程中发生化学反应时的能量损失,从而推高了通过这种方法生产氢气的成本。因此,需要催化剂加速这些化学反应。

尖晶石氧化物通常由廉价的过渡金属制成,近年来作为一种稳定、低成本的催化剂引起了人们的兴趣,可以克服这一挑战,但由于缺乏对其工作原理的了解,高性能尖晶石氧化物的设计一直受到阻碍。

现在,由新加坡南洋理工大学(NTU新加坡)领导的团队取得了两项重要进展。他们在原子尺度上解开了尖晶石氧化物如何加快水电解的工作原理。在这种新认识的基础上,该团队随后使用机器学习来选择具有增强催化活性的新型尖晶石氧化物,从而使水电解更有效。

这些发现使该团队离使水解制氢成为大规模制氢方法更近了一步,能源市场管理局强调,由于新加坡的目标是到2050年将其温室气体排放峰值减半,因此氢气是减少新加坡碳足迹的一种可能的低碳替代品。这与全球趋势一致–例如欧盟最近公布了 “氢能战略”。

该研究成果发表在7月的科学杂志《自然催化》上。

向氢燃料经济迈进

当使用风能或太阳能等可再生能源为动力时,从水电解中提取氢是生产氢燃料的一种有吸引力的方法,它有可能取代发电厂,运输和加油过程中使用的化石燃料。

这项研究中,尖晶石氧化物成本低、材料丰富,如果设计出合适的参数,如尖晶石氧化物中过渡金属的类型,可以成为一种可行的替代品,以提高催化活性。

基于团队确定的关键参数,该团队利用300多种尖晶石氧化物的数据集训练了一个机器学习模型,以便在几秒钟内筛选和预测任何尖晶石氧化物催化剂的效率。

利用这种方法,该团队发现,一种由锰和铝组成的新氧化物有望表现出优异的催化活性。这一点在实验中得到了验证。

研究人员说:虽然设计高效催化剂的能力极大地推动了水解制氢技术的发展,但在广泛采用这一技术之前,还需要考虑另外两个主要瓶颈。首先改善此类碱性电解槽中的膜,以支持长期稳定制氢。然后,看看如何将所有这些升级产品放入可以在工业水平上运行的电解槽中。

为了提高尖晶石氧化物的性能,需要更深入地了解它们如何作为催化剂使水电解更有效。NTU领导的团队现在可以基于参数创建新型尖晶石氧化物,使其更接近氢动力经济。
为了提高尖晶石氧化物的性能,需要更深入地了解它们如何作为催化剂使水电解更有效。NTU领导的团队现在可以基于参数创建新型尖晶石氧化物,使其更接近氢动力经济。

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