美国科学家研发技术定期重组催化剂 可提高水分解制氢的效率

发布时间: 2020-10-16 作者:汽车氪

美国科学家研发技术定期重组催化剂 可提高水分解制氢的效率未来,化石燃料可能会被水分解制成的氢燃料取代。"

未来的经济可能会基于可再生和可持续能源,可能会出现用电池驱动的汽车、大规模的太阳能和风力发电场,以及存储在电池和化学燃料中的能源。虽然现在可持续能源已经投入使用,但是还需要获得科学和工程上的突破,才能让其得到广泛使用。

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图片来源:弗吉尼亚理工大学

其中,有人提出用氢气替代化石燃料,为社会需求提供电力。为了大量生产氢气,有些科学家正在研究水分解(将水分解成两个氢原子和一个氧原子),从而产生氢燃料和可供呼吸使用的氧气。

据外媒报道,美国弗吉尼亚理工大学理学院(Virginia Tech College of Science)的研究人员正专注于能量存储和能量转换研究,解决了电化学水分解工艺的一个基本障碍。此外,该项研究展示了一项新技术,以重组、重新焕活以及重新使用催化剂,以实现高效的水分解过程。

该项研究专注于催化剂,此类物质可以增加化学反应的速率,而不会在化学过程中被消耗。催化剂增加化学反应速率的其中一种方法是减少促进化学反应开始所需的能量。

水分子由三个原子组成,但其分裂过程非常困难。不过,该项研究做到了。即使从一个稳定的原子中移动一个电子也属于能量密集型过程,但是此种反应需要移动四个电子以氧化氧气,最终产生氧气。

为了满足此种高能量密度要求,研究人员引入了一种称为混合镍铁氢氧化物(MNF)的常用催化剂,以降低能量阈值。与MNF进行的水分解反应工作表现良好,但是由于MNF具有高反应活性,其使用寿命很短,而且其催化性能会快速下降。

于是,研究人员研发了一种新技术,可以定期地将MNF重组至原始状态,以让水分解过程持续进行。研究人员在实验中采用的是淡水,不过,研究人员认为,地球上最丰富的水——盐水也可起作用。

MNF用于能源研究已久。在一个多世纪以前,托马斯爱迪生修补电池时,他也在氢氧化镍电池中采用了同样的镍元素和铁元素。爱迪生在氢氧化镍实验中观察到氧气的形成,这对于电池而言非常不利,但是在水分解过程中,形成氧气是目标之一。

在研究人员的实验中,MNF在电解溶液中从固态形式降解为金属离子,这也是水电解过程中的关键限制。不过,研究人员观察到,当电化学电池从高电催化电位转变为低的还原电位,只需两分钟,被溶解的金属离子就会重组成理想的MNF催化剂,这是因为催化剂和电解溶液之间界面内的pH值发生了反转。重组得以成功的另一个原因时,研究人员合成了新型MNF薄板,比大块的材料更容易重组。

为了证实研究发现,研究人员进行了同步加速器X射线测量,此类测量与普通医院的X光测量基本相同,但是规模更大。

同步加速器需要一个巨大的回路,大小与弗吉尼亚理工大学钻井场一样,可以高速执行X射线光谱和成像,为在催化操作条件下提供了高水平的数据。此外,这项研究也为氮还原、二氧化碳还原和锌-空气电池等其他重要的电化学能源科学提供了见解。

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