科学家展示一种可重复使用的催化剂新技术,实现高效节能水解制氢

氢能是一种发展潜力巨大的清洁能源,其替代传统能源的’氢经济之路’十分值得期待。氢经济以广泛使用氢气作为能源载体的新型经济结构。与传统化石燃料不同,燃烧氢气,不会向大气层排放碳或其他污染物(例如悬浮粒子),是一种对环境友善,并且用之不竭的未来能源。最近科学家展示一种可重复使用的催化剂新技术,实现高效节能水解制氢。

氢经济的可行性,取决于目前能源的各种问题,包括化石能源使用、气候变化、以及可持续的能源供应。由于在自然界中并没有大量存在的氢气,因此只有通过蒸汽重组、水解制氢等等技术,从其他能源制造氢气,因此氢气是一种能源载体(与电力一样)而不是初级能源(例如煤)。

弗吉尼亚理工大学理学院的化学助理教授Feng Lin专注于能量储存和转换研究。最近一项新研究工作发表在在《自然催化》杂志上。研究解决了电化学水分解过程中的一个关键性基本障碍,他的实验室在该研究中展示了一种重新组装、活化和再利用催化剂水分解新技术,从而实现了高效节能的水分解制氢。

科学家展示一种可重复使用的催化剂新技术,实现高效节能水解制氢

水分解过程没那么容易。由于分解水需要更高的能量,高效率和催化剂的稳定性成为关键挑战。但Lin的实验室已经做到了。为了满足这种高能量的要求,林实验室引入了一种混合氢氧化镍铁(MNF)的普通催化剂来降低门槛。用MNF进行水分解反应效果很好,但由于MNF的高反应性,它的寿命很短,催化性能下降很快。

Lin和他的团队发现了一种新技术,可以让MNF周期性地重新组装到原始状态,从而让分解水过程继续进行。该团队在实验中使用了淡水,但Lin建议盐水–地球上最丰富的水形式–也可以工作。

在Lin的实验过程中,MNF在电解溶液中从固体形态降解为金属离子–这是这个过程的一个关键限制。但Lin的团队观察到,当电化学电池从高的、电催化电位翻转到低的、还原电位时,仅仅两分钟的时间,溶解的金属离子就会重新组合成理想的MNF催化剂。这是因为催化剂和电解液界面内的pH梯度发生了逆转。

重组效果如此之好的另一个原因是,Lin实验室将新型MNF合成为薄片,比散装材料更容易重新组装。

通过X射线验证发现

为了证实这些发现,Lin的团队在阿贡国家实验室的先进光子源和SLAC国家加速器实验室的斯坦福同步辐射光源进行了同步辐射X射线测量。

“我们想观察在这整个过程中发生了什么,”Kuai说。”我们可以利用X射线成像来真实地看到这些金属铁的溶解和再沉积,以提供化学反应的基本情况。”

同步加速器设施需要一个巨大的环路,可以高速执行X射线光谱和成像。这为Lin提供了催化操作条件下的高水平数据。该研究还为其他一系列重要的电化学能源科学提供了见解,如氮气还原、二氧化碳还原和锌空气电池。

“除了成像之外,大量的X射线光谱测量使我们能够研究单个金属离子如何聚集在一起并形成具有不同化学成分的簇,”Lin说。”这确实为探究真实化学反应环境中的电化学反应打开了大门。”

这项工作得到了化学系启动基金和关键技术与应用科学研究所的支持

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