新加坡研發低成本催化劑 可提升水分解制氫的效率

2020-12-05 騰訊網

蓋世汽車訊 據外媒報導，新加坡南洋理工大學（NTU）的一組科學家發現一組參數，可以決定低成本催化劑尖晶石氧化物效率，這一發現打破了利用電解（用電分解水）從水中提取氫所遇到的瓶頸。

（圖片來源：南洋理工大學）

電解水制氫的主要挑戰在於，在電解水化學反應中，會出現能量損失，從而會提高水分解產氫的成本，因此，需要利用催化劑來加速此類化學反應。

尖晶石氧化物通常由廉價的過渡金屬製成，近年來，成為一種穩定、低成本的催化劑，引起了人們的興趣。但是，由於缺乏對尖晶石氧化物工作原理的了解，高性能尖晶石氧化物的設計工作受到了阻礙。

現在，新加坡南洋理工大學的副教授Jason Xu Zhichuan和團隊已經取得兩項重要進展，從原子角度了解了尖晶石氧化物可以如何加速水電解產氫。有了這一新認識之後，研究小組利用機器學習選擇催化活性得到增強的新款尖晶石氧化物，讓電解水更高效。

此類發現也讓該團隊得以進一步找到合適的水分解方法，以大規模製氫。而且利用風能或太陽能等可再生能源提供動力，從電解水中提取氫氣也是生產氫燃料電池的一種好方法。而氫燃料電池可以取代發電廠、運輸工具和燃料補給使用的化石燃料。

此外，氫氣還可以取代鋰離子電池等傳統儲能設備，因為鋰離子電池會隨著時間推移漸漸失去電量。

在電解槽中進行水電解時會發生兩種主要的化學反應：一種是制氫的反應，另一種是制氧的反應，而且兩種氣體會被一種薄膜隔開。研究人員表示，水電解的發展瓶頸主要在於制氧反應，會導致析氧反應。

雖然析氧反應對分解水制氫燃料非常重要，但是這是一個緩慢的化學過程，會降低整體的能量轉換效率，因而需要金屬氧化物等催化劑來加快反應速度。雖然貴金屬氧化物已被證明是最先進的催化劑，可以降低能源消耗、提高能源轉換效率，但是儲量少、成本高、耐久性差等特點限制其得到大規模應用。

不過，尖晶石氧化物成本低、儲量大，如果設計成含有正確的參數，如設置好尖晶石氧化物中過渡金屬的類型，以增加其催化活性，就可以成為一種可行的替代品。

根據該團隊已經確定的關鍵參數，該團隊訓練了一個機器學習模型，模型中包含300多個尖晶石氧化物數據集，可在幾秒鐘內預測任何尖晶石氧化物催化劑的效率。採用此種方法，該團隊發現一種由錳和鋁構成的新型氧化物被模型預測會顯示出優越的催化活性，並在實驗中得到了驗證。

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