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科學家研制出新催化劑 將降低氫能源成本

新能源科學領域中,氫燃料是公認的清潔能源,但目前人類獲取純氫能的方式主要靠化石燃料,氫能取代化石燃料本身就是為了最大限度地減弱溫室效應,但是制造氫能源又需要耗費化石燃料,為氫能源的普及利用造成難解。因此,要想降低溫室氣體排放、開發可再生清潔能源,離不開分解水制氫這一方式。

以水為原材料制造氫氣各種各樣的缺點,比如輔助材料成本太高、反應能量要求太高、合成催化劑不能在現實條件上穩定存在等。植物早就通過光合作用學會了怎樣分解水,然而人類不得不為複制這一過程拼命努力。

目前,全世界每年生產5000萬噸氫氣,其中95%來自化石燃料,通過甲烷水蒸氣重整制氫。在普通的分解水的化學反應中,析氧反應是出了名的速度慢,給制備氫氣拖後腿。

而科學家最近首次發現酸性條件下依舊有效的催化劑,這種薄膜晶體催化劑可以大大提高反應效率,並降低反應活化能,令水解制氫廠指日可待。

“雖然光合作用分解水的過程非常高效,但是人工的反應根本比不上。”斯坦福大學化學工程學院界面科學和催化反應研究中心(SUNCAT Center for Interface Science and Catalysis)的研究人員托馬斯·哈拉米約(Thomas Jaramillo)稱。

托馬斯和同事長期致力於開發析氧反應的催化劑,以求讓合成催化劑持續時間更長,催化反應速度更快,或者降低反應所需的能量。這些改進都能夠降低反應成本,提高反應效率,讓生產氫氣變得更為清潔高效。

《科學》期刊在上周刊登了該團隊的研究成果,他們研究的新催化劑對環境要求不高,但效果空前。

“本次研究最重要的成果在於,我們發現的催化劑可以在酸里穩定存在。而且催化劑的效果前所未見。”斯坦福科學家,上述《科學》文章聯合署名作者疋田育之(Hikita Yasuyuki)如是評價這次研究。

對於析氧反應的催化劑來說,一個很重要的評判標準是過電位,即推動反應開始所需要的電壓。此前的記錄是320毫伏,而這種新催化劑把反應所需的過電位降到了270毫伏到290毫伏之間。

疋田稱,這一新記錄可以大大提高反應效率,大幅降低大規模生產氫氣所需的能耗。有了這種新催化劑,制氫廠指日可待。

這一前景光明的催化劑是一種薄膜晶體,由一層二氧化銥(iridium oxide)和一層Sr2IrO4(strontium iridium oxide)組成。因為薄膜晶體又平又薄,使研究員更容易比較催化反應的效果。二氧化銥是目前人類發現的唯一一種可以在酸里生效的催化劑。

研究團隊還發現,隨著反應的進行,這種催化劑的效果越來越好。在對催化劑進行測量之後,研究人員發現催化劑的表面發生了變化,但目前還沒能解釋催化的具體機理。科學家也承認:“我們還不知道微觀層面發生了什麽。我們只知道有一部分鍶離子離開催化劑,進入了溶液。”

研究團隊正在進行進一步的研究,希望能夠降低催化劑的生產成本,提高催化效果,還要探索催化反應背後究竟為什麽效果如此之好。銥的價格非常高,因此他們試圖用最少的銥達到最好的效果。不過,這種催化劑離實際工業生產還有很大的距離,降低催化劑成本是研究的重中之重。

“在開發催化劑的路上,我們只邁開了一小步,還有廣闊的進步空間。”托馬斯如是說,“有朝一日,我們可能開發出效果比現在好百萬倍的催化劑。

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