科学家开发用作催化剂的新型电极材料钙钛矿氧化物高效廉价的制氢

科学家开发用作催化剂的新型电极材料钙钛矿氧化物高效廉价的制氢

氢将成为未来的主要能源,它可以由能再生、又能持续的资源——“水”产生,能为气候保护做出重要贡献,并替代化石燃料。氢被视作未来的主要能源载体,但目前尚无有效的工艺方法廉价地制氢,如何环保、安全和廉价地制氢成为一大课题。柏林亥姆霍兹中心(HZB)的马塞尔·里施(Marcel Risch)和他的团队提出了新思路改善现有的水电解技术,即把水化学分解为氢和氧的工艺。该研究成果在《物理学杂志:能源》上发表

通过电解水制氢应该需要电能,其方法是在水中接入两个电极,水在一个电极处被分解成氢和氧,随后氧离子结成氧气逸出,而析出的氢离子迁移到另一个电极中去,在这个电极处,氢既可以转化为气态氢,也可以转化为碳氢化合物和氨,用作能量载体和工业原料。马塞尔·里施认为,水分解反应是电解取得氢的核心,虽然是第一步,但在这个关键技术上目前现有的方案都存在缺陷,尚需优化。里施和他的研究团队正在寻找可以用作催化剂的新型电极材料,这些材料不仅使电解过程更有效,而且比迄今为止用于电解槽的贵金属更便宜且更容易得到。

里施团队所采用方法的原理是,将电极处的能量损失降到最低,用以提高电解效率,从而使电解更加经济。里施研究团队的突破点集中在电极材料中催化剂的选择上,他们选用了一种特殊钙钛矿氧化物,是由钙、钛和氧组成的常见金属。这种材料的内部化学结构非常整齐,因为所有钙钛矿都具有相同特征的原子排列,它的好处是可以简单地更换其中的化学元素而无需改变结构本身。研究团队在一个研究样品中用钴代替了钛,在另一研究样品中用铁代替了钛。化学元素也可以有好几种替代方案,且可以有不同的剂量比例和组合。每种新材料都必须在电解过程中进行验证,研究人员然后比较它们各自不同的电解效率。目前的结果是:由钡、钴和铁制成的钙钛矿结构特别适合作为电极材料。

科学家开发用作催化剂的新型电极材料钙钛矿氧化物高效廉价的制氢
研究团队正在研究通过水分解产生电解氧的反应机理

但是,关于何时能真正找到并应用高效电解的最佳催化剂这一问题,科学家表示还需要一段时间,真正提高制氢效率还有很多障碍。马塞尔·里施解释说,需要标准化的测试条件,根据这些条件可以检测新的催化剂材料,真正产生可比对的结果,一方面对材料进行深入的研究,另一方面对电解槽进行优化。然而,如何将寻找到的材料应用到电解设备上,这中间是一个巨大的跨越,还需努力。

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