Argonne团队开发新型低成本钴基催化剂，用于PEM电解制氢

Frontier 6月 01, 2023 7.05k 浏览 0

由美国能源部 (DOE) 阿贡国家实验室 (ANL) 领导的多机构团队开发了一种低成本的钴基催化剂，用于在质子交换膜水电解槽 (PEMWE) 中生产氢气。其他贡献者包括美国能源部的桑迪亚国家实验室和劳伦斯伯克利国家实验室，以及 Giner Inc.。

质子交换膜电解槽的每个电极（阴极和阳极）都使用单独的催化剂运行。阴极催化剂产生氢气，而阳极催化剂形成氧气。阳极催化剂使用铱，目前的市场价格约为每盎司 5,000 美元。铱的供应不足和高成本构成了广泛采用 PEM 电解槽的主要障碍。

新催化剂的主要成分是钴，比铱便宜得多。该研究工作发表在《科学》杂志上。

该研究报告了一种纳米纤维状钴尖晶石催化剂与镧 (La) 和锰 (Mn) 共掺杂，该催化剂由嵌入电纺聚合物纤维中的沸石咪唑盐骨架制备。该催化剂在每平方厘米 10 毫安时表现出 353 毫伏的低过电势，并且在酸性电解质中 360 小时内 OER 的降解率较低。在阳极包含这种催化剂的 PEMWE 在 2.47 伏特（Nafion 115 膜）或 3.00 伏特（Nafion 212 膜）下的电流密度为 2000 毫安/平方厘米，并且在加速应力测试中的降解率较低。

研究人员试图在 PEM 电解槽中开发一种低成本的阳极催化剂，以高产量产生氢气，同时消耗最少的能量。通过使用这种方法制备的钴基催化剂，可以消除在电解槽中生产清洁氢气的主要成本瓶颈。

致力于电解槽和燃料电池商业化的领先研发公司 Giner Inc. 在工业操作条件下使用其 PEM 电解槽测试站对新型催化剂进行了评估。性能和耐用性远远超过竞争对手的催化剂。

进一步提高催化剂性能重要的是了解电解槽操作条件下原子尺度的反应机理。该团队通过在阿贡的高级光子源 (APS) 上使用 X 射线分析，破译了催化剂在操作条件下发生的关键结构变化。他们还在桑迪亚实验室和阿贡纳米材料中心 (CNM) 使用电子显微镜确定了催化剂的关键特征。APS 和 CNM 都是 DOE 科学办公室用户设施。

此外，伯克利实验室的计算模型揭示了催化剂在反应条件下的耐久性的重要见解。

该团队的成就是 DOE 的氢能 Earthshot 计划向前迈出的一步，该计划模仿了 1960 年代美国太空计划的“登月计划”。其雄心勃勃的目标是在十年内将绿色制氢的成本降低到每公斤一美元。以这样的成本生产绿色氢可以重塑国家经济。应用包括电网、制造、运输以及住宅和商业供暖。

该研究结果为用更便宜和更丰富的元素替代由昂贵的贵金属制成的催化剂开辟了一条有前途的道路。

这项研究得到了美国能源部能源效率和可再生能源办公室、氢和燃料电池技术办公室以及阿贡实验室指导研究和开发资金的支持。找有价值的信息，请记住Byteclicks.com

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