韩国科学研究院开发低价高效纳米级铱合金催化剂将二氧化碳转化为清洁能源

韩国科学技术研究院开发出了一项技术,在产生氧气的电极上减少使用贵金属催化剂的技术。贵金属催化剂的使用是阻碍人工光合作用技术实际应用的问题之一。

人工光合作用技术是指以叶绿素为催化剂,将水、阳光、二氧化碳(CO2)转化为碳氢化合物和氧气的过程,人为地重现一个类似于植物的过程。这项技术之所以受到广泛关注,是因为它在吸收二氧化碳的同时,还能产生清洁能源和高附加值的化学品。

为了使这项技术商业化,必须提高催化剂的效率,并降低相关成本。在迄今已研究的有效电化学催化剂中,铱基催化剂被发现是最稳定、性能最强的催化剂,因此被广泛认为是最好的产氧催化剂。但由于铱的价格较高,其储量和产量相当有限。近年来,人们对如何减少铱的使用量,提高催化剂的性能进行了大量的研究。

其中最有效的降低铱用量的方法之一是利用低价金属制造纳米级铱合金催化剂。KIST-柏林工业大学(TU-Berlin)联合研究团队通过使用铱-钴合金纳米颗粒来减少铱的使用量,开发出了一种具有氧化铱外壳的核壳纳米催化剂。

KIST的研究团队利用各种原位/操作分析技术,设计出了一种有效的催化剂。他们利用原位/旋光X射线吸收光谱分析法,发现由于催化剂中的铱与氧气之间的距离很短,因此具有芯壳结构的催化剂具有很高的性能。他们采用原位/电泳电感耦合等离子体(ICP)分析技术进一步研究了该催化剂,发现由于催化剂的损耗相对较小,因此具有较高的耐用性。更为重要的是,这些结果是在实际的催化剂反应过程中获得的。这些分析结果将继续用于设计各种催化剂。

原位/旋光X射线吸收光谱分析法

与现有的催化剂相比,KIST研究团队开发的催化剂少用了20%的贵金属铱,并显示出至少提高了31%的性能。为了验证该催化剂的实用性,研究人员用自来水进行了长期试验。验证了该催化剂的实际可行性。测试时,该催化剂在数百小时内保持了较高的性能,显示出较高的耐久性。

当将研制的催化剂应用到实际的二氧化碳转化系统中时,过程中所需的能量减少了一半以上。这使得在相同电压下,使用其他氧化铱催化剂所产生的化合物量通常是其他氧化铱催化剂的两倍以上。

该研究团队这项研究使用了铱钴合金芯和氧化铱外壳的芯壳纳米催化剂,大大改善了析氧反应性能和耐久性,这也是之前电化学CO2转化系统所存在的问题,希望这项研究将大大有助于电化学二氧化碳转换系统的实用性,因为它可以应用于水电解制氢系统以及各种其他电解系统。

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