俄勒岡州科瓦利斯——俄勒岡州立大學(xué)對(duì)催化劑設(shè)計(jì)的研究表明，與目前的市售催化劑相比，可以以更高的效率和更低的成本清潔生產(chǎn)氫氣。
催化劑是一種能提高化學(xué)反應(yīng)速率而自身不會(huì)發(fā)生任何永久性化學(xué)變化的物質(zhì)。
俄勒岡州立大學(xué)工程學(xué)院化學(xué)工程教授馮振興說，這些發(fā)現(xiàn)意義重大，因?yàn)闅錃獾纳a(chǎn)對(duì)“我們生活的許多方面都很重要，例如汽車燃料電池和氨等許多有用化學(xué)品的制造”。誰領(lǐng)導(dǎo)了這項(xiàng)研究。“它還用于精煉金屬、生產(chǎn)塑料等人造材料以及一系列其他用途。”
馮說，通過電化學(xué)催化過程分解水來生產(chǎn)氫氣比通過二氧化碳生產(chǎn)過程(稱為甲烷蒸汽重整)從天然氣中提取氫氣的傳統(tǒng)方法更清潔、更可持續(xù)。但更環(huán)保技術(shù)的成本一直是市場上的障礙。
新發(fā)現(xiàn)描述了設(shè)計(jì)催化劑的方法，可以大大提高清潔制氫過程的效率，發(fā)表在 Science Advances 和JACS Au 上。
馮說，在促進(jìn)反應(yīng)過程中，催化劑經(jīng)常發(fā)生結(jié)構(gòu)變化。有時(shí)這些變化是可逆的，有時(shí)是不可逆的，并且不可逆的重組被認(rèn)為會(huì)降低催化劑的穩(wěn)定性，導(dǎo)致催化活性的喪失，從而降低反應(yīng)效率。
馮，俄勒岡州立大學(xué)博士學(xué)生王茂宇和合作者研究了反應(yīng)中催化劑的重組，然后在原子尺度上操縱它們的表面結(jié)構(gòu)和組成，以實(shí)現(xiàn)高效的制氫催化過程。
基于無定形氫氧化銥的催化劑活性相的效率是其原始鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的 150 倍，比常見的商業(yè)催化劑氧化銥高出近三個(gè)數(shù)量級(jí)。
“我們發(fā)現(xiàn)至少有兩組材料發(fā)生了不可逆變化，結(jié)果證明它們是更好的制氫催化劑，”馮說。“這可以幫助我們以每公斤 2 美元，最終每公斤 1 美元的價(jià)格生產(chǎn)氫氣。這比當(dāng)前行業(yè)的污染過程成本更低，將有助于實(shí)現(xiàn)美國到 2030 年實(shí)現(xiàn)零排放的目標(biāo)。”
馮指出，美國能源部氫和燃料電池技術(shù)辦公室已經(jīng)建立了技術(shù)基準(zhǔn)，這些技術(shù)可以在 2025 年之前以每公斤 2 美元和 2030 年每公斤 1 美元的價(jià)格生產(chǎn)清潔氫，作為降低清潔成本的氫能源地球項(xiàng)目目標(biāo)的一部分。十年內(nèi)，氫含量降低 80%，從每公斤 5 美元到 1 美元。
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