美國深入了解電化學催化工藝 有助於實現水分解高效大規模製氫

2021-01-12 騰訊網

蓋世汽車訊 據外媒報導，美國俄勒岡州立大學工程學院（Oregon State University College of Engineering）的研究人員與康納爾大學Cornell University以及美國阿貢國家實驗室（Argonne National Laboratory）的研究人員合作，將讓利用水高效大規模製氫即將成為現實。

了解銥酸鍶催化劑活性高的原因（圖片來源：俄勒岡州立大學）

科學家們利用先進的實驗工具，對電化學催化工藝有了更清晰的認識，而該工藝比利用天然氣制氫更清潔、更具有可持續性。氫存在於各種各樣的化合物中，最常見的就是其與氧氣結合製成水，而且其在科學、工業和能源相關的領域也發揮作用。此外，氫也以碳氫化合物的形式存在，如天然氣的主要成分甲烷就由氫和碳構成。

領導該項研究的化學工程教授Zhenxing Feng表示：「生產氫對於我們生活的很多方面都很重要，例如汽車燃料電池，製作氨等很多有用的化學物質。此外，還可用於精鍊金屬，生產塑料等人造材料以及用於各種用途。」

根據美國能源部所說，美國主要利用一種蒸汽-甲烷重整技術從天然氣等甲烷中提取氫氣。該工藝包括將甲烷置於有催化劑的加壓蒸汽中，製造一種能夠產生氫氣、一氧化碳以及少量二氧化碳的反應。

下一步是水-氣轉化反應，其中一氧化碳和蒸汽會通過不同的催化劑反應，製造二氧化碳以及額外的氫氣。最後一步，利用變壓吸附法將二氧化碳和其他雜質移除，只留下純氫。

Feng教授表示：「與天然氣重整技術相比，利用可再生能源發電分解水制氫的方式更清潔、更具可持續性。不過，因為該工藝中有一個關鍵的半反應析氧反應（OER）的高過電位（電化學反應中的真實電位與理論電位之間的差距），導致分解水的效率很低。」

半反應是氧化還原反應中兩個反應中的一部分，其中電子在兩個反應物之間轉移，還原指代獲得電子，氧化意味著失去電子。半反應的概念通常被用於描述電化學電池中發生的事情，而半反應通常被用於平衡氧化還原反應。過電位是理論電壓和電解反應產生所需的真實電壓之間的差值，其中電解是由電流驅動的化學反應。

Feng教授表示：「電催化劑是通過降低過電位改進水分解反應的關鍵，但是研發高性能的電催化劑絕非易事。主要障礙之一是缺乏關於電化學操作過程中電催化劑結構如何演變的信息，了解OER反應期間電化學催化劑結構的化學演變過程，對於研發高質量的電催化劑材料，進而實現能源的可持續性至關重要。」

Feng教授與合作夥伴利用一套先進的表徵工具研究最新OER電催化劑銥酸鍶（(SrIrO3）在酸性電解質中的原子結構演變情況。

Feng教授表示：「我們想要了解在OER反應中，銥酸鍶的活性高於普通商用催化劑1000倍的原因。利用阿貢國家實驗室的同步加速器X射線設備和俄亥俄州立大學西北納米技術基礎設施實驗室的X射線光電子能譜，我們在OER反應中，觀察到銥酸鍶的表面化學性能以及從晶體轉變為非晶體的過程。」此類觀察結果能夠讓大家對銥酸鍶為什麼是一種出色的催化劑有了更深入的了解。

Feng教授還補充道，該項研究為如何利用電位促進在電化學界面上形成功能非晶形層提供了見解，還有利於設計出更好的催化劑。

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