使用鉑鎳催化劑在氫氣中存儲能量的效率提高了20倍

2020-11-09 希望星球

催化劑促進了化學反應，但是廣泛使用的金屬鉑稀缺且昂貴。埃因霍溫科技大學（TU / e）的研究人員與中國，新加坡和日本的研究人員一起，已經開發出了一種活性高20倍的替代產品：一種具有鎳和鉑合金空心納米籠的催化劑。 TU / e研究人員Emiel Hensen希望將來使用這種新催化劑開發冰箱大小的電解槽，該電解槽大小約為10兆瓦。結果將於11月15日發表在《科學》雜誌上。

到2050年，中央政府的目標是從可持續的能源（例如太陽或風）中獲得荷蘭幾乎所有的能源需求。由於這些能源並非始終可用，因此能夠存儲產生的能量非常重要。由於電池的能量密度低，因此不適合存儲大量能量。更好的解決方案是化學鍵，氫是最明顯的氣體選擇。電解器使用水將電能（過量）轉化為氫，並可以存儲氫。在稍後的階段，燃料電池則相反，將存儲的氫轉換回電能。兩種技術都需要催化劑來推動這一過程。

由於其高活性，有助於這些轉化的催化劑主要由鉑製成。但是鉑金非常昂貴並且相對稀缺。如果我們想大規模使用電解槽和燃料電池，這是一個問題。 TU / e催化教授Emiel Hensen說：「因此，來自中國的研究人員開發了鉑和鎳的合金，從而降低了成本並提高了活性。」

有效的催化劑具有很高的活性。每秒將更多的水分子轉化為氫。 Hensen說：「在TU / e，我們研究了鎳對關鍵反應步驟的影響，為此，我們基於電子顯微鏡的圖像開發了計算機模型。利用量子化學計算，我們能夠預測鎳的活性。新型合金，我們就能理解為什麼這種新型催化劑如此有效。」

在燃料電池中成功測試

除了金屬的其他選擇外，研究人員還能夠對形態進行重大改變。催化劑中的原子必須與水和/或氧分子鍵合才能轉化它們。因此，更多的結合位點將導致更高的活性。亨森說：「您希望儘可能多地利用金屬表面。可以從外部以及從內部進入已開發的空心納米籠。這會產生較大的表面積，從而允許更多的材料同時發生反應。 」此外，Hensen用量子化學計算證明了納米籠的特定表面結構甚至進一步提高了活性。

經過Hensen模型的計算，結果發現兩種溶液的活度比目前的鉑催化劑高20倍。研究人員還在燃料電池的實驗測試中發現了這一結果。 「對許多基礎工作的重要批評是它在實驗室中完成了它的工作，但是當有人將其放在真實設備中時，它通常是行不通的。我們已經表明，這種新催化劑可以在實際應用中工作。 」

催化劑的穩定性必須使其能夠在氫汽車或房屋中繼續工作數年。因此，研究人員在燃料電池中測試了該催化劑5萬「圈」，發現其活性降低得可以忽略不計。

每個地區都有電解槽

這種新型催化劑的可能性多種多樣。既是燃料電池的形式，又是電解槽中的逆反應。例如，燃料電池用在氫動力汽車中，而一些醫院已經有配備氫燃料電池的應急發電機。電解槽可用於例如海上風電場，甚至可能在每個風力渦輪機旁邊。運輸氫比運輸電便宜得多。

亨森的夢想更進一步。他說：「我希望我們很快能夠在每個社區中安裝一個電解器。這種冰箱大小的設備在白天將附近社區屋頂上的太陽能電池板的所有能量以氫氣的形式存儲。地下天然氣管道將將來運輸氫，家用中央供暖鍋爐將由燃料電池代替，燃料電池將存儲的氫轉換回電能。這就是我們可以充分利用陽光的方式。」

但是要做到這一點，電解槽仍需要進行大量開發。因此，亨森與布拉班特地區的其他TU / e研究人員和工業合作夥伴一起，參與了埃因霍溫TU能源研究所的啟動。目的是將當前的商用電解槽規模擴大到約10兆瓦的冰箱大小的電解槽。

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