美國科學家研發技術定期重組催化劑 可提高水分解制氫的效率

2020-12-05 騰訊網

蓋世汽車訊 未來的經濟可能會基於可再生和可持續能源，可能會出現用電池驅動的汽車、大規模的太陽能和風力發電場，以及存儲在電池和化學燃料中的能源。雖然現在可持續能源已經投入使用，但是還需要獲得科學和工程上的突破，才能讓其得到廣泛使用。

圖片來源：維吉尼亞理工大學

其中，有人提出用氫氣替代化石燃料，為社會需求提供電力。為了大量生產氫氣，有些科學家正在研究水分解（將水分解成兩個氫原子和一個氧原子），從而產生氫燃料和可供呼吸使用的氧氣。

據外媒報導，美國維吉尼亞理工大學理學院（Virginia Tech College of Science）的研究人員正專注於能量存儲和能量轉換研究，解決了電化學水分解工藝的一個基本障礙。此外，該項研究展示了一項新技術，以重組、重新煥活以及重新使用催化劑，以實現高效的水分解過程。

該項研究專注於催化劑，此類物質可以增加化學反應的速率，而不會在化學過程中被消耗。催化劑增加化學反應速率的其中一種方法是減少促進化學反應開始所需的能量。

水分子由三個原子組成，但其分裂過程非常困難。不過，該項研究做到了。即使從一個穩定的原子中移動一個電子也屬於能量密集型過程，但是此種反應需要移動四個電子以氧化氧氣，最終產生氧氣。

為了滿足此種高能量密度要求，研究人員引入了一種稱為混合鎳鐵氫氧化物（MNF）的常用催化劑，以降低能量閾值。與MNF進行的水分解反應工作表現良好，但是由於MNF具有高反應活性，其使用壽命很短，而且其催化性能會快速下降。

於是，研究人員研發了一種新技術，可以定期地將MNF重組至原始狀態，以讓水分解過程持續進行。研究人員在實驗中採用的是淡水，不過，研究人員認為，地球上最豐富的水——鹽水也可起作用。

MNF用於能源研究已久。在一個多世紀以前，託馬斯愛迪生修補電池時，他也在氫氧化鎳電池中採用了同樣的鎳元素和鐵元素。愛迪生在氫氧化鎳實驗中觀察到氧氣的形成，這對於電池而言非常不利，但是在水分解過程中，形成氧氣是目標之一。

在研究人員的實驗中，MNF在電解溶液中從固態形式降解為金屬離子，這也是水電解過程中的關鍵限制。不過，研究人員觀察到，當電化學電池從高電催化電位轉變為低的還原電位，只需兩分鐘，被溶解的金屬離子就會重組成理想的MNF催化劑，這是因為催化劑和電解溶液之間界面內的pH值發生了反轉。重組得以成功的另一個原因時，研究人員合成了新型MNF薄板，比大塊的材料更容易重組。

為了證實研究發現，研究人員進行了同步加速器X射線測量，此類測量與普通醫院的X光測量基本相同，但是規模更大。

同步加速器需要一個巨大的迴路，大小與維吉尼亞理工大學鑽井場一樣，可以高速執行X射線光譜和成像，為在催化操作條件下提供了高水平的數據。此外，這項研究也為氮還原、二氧化碳還原和鋅-空氣電池等其他重要的電化學能源科學提供了見解。

相關焦點

  • 新加坡研發低成本催化劑 可提升水分解制氫的效率
    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。
  • 美國研發低成本催化劑用於水分解制氫 產氫速率是原來的10倍
    （圖片來源：洛斯阿拉莫斯國家實驗室）蓋世汽車訊 即使沒有陽光也沒有風，也能夠分解水製成可再生能源，可以利用電力將水分解成氫氣和氧氣，產生一種以氫燃料形式存儲能量的方法。目前用於水分解或水電解的最流行方法都依賴於貴金屬催化劑，不過，據外媒報導，美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室（Los Alamos National Laboratory）和華盛頓州立大學（Washington State University）的科學家們組成了一個合作研究團隊，研發了一種採用更便宜、儲量更豐富材料的水分解系統。
  • 紫外線下水分解制氫效率超96%:日本科學家改進光催化劑
    1980年，日本信州大學超材料研究計劃教授、東京大學教授堂免一成 （Kazunari Domen）發表了第一篇用鈦酸鍶（SrTiO3）來催化光分解水、產生氫氣的論文。光催化劑改進氫燃料是最理想的清潔能源之一，它在氧氣中完全燃燒的產物只有水。把這個反應逆轉過來，就是水分解成氫氣和氧氣。我們在高中學習過水電解制氫，這過程本身需要消耗電，因此在經濟性上充滿挑戰。1972年，日本科學家發現在特定催化劑下，太陽光能分解水制氫，提出了光解水制氫這一技術可能。
  • 澳洲高校研發更便宜催化劑 可快速分解水制氫供氫動力汽車使用
    現在，澳大利亞高效研發了一種鎳鐵催化劑，能夠快速制氫。蓋世汽車訊據報導，澳大利亞新南威爾斯大學(UNSW)領導的一個科學家研究小組展示了一種更便宜、更可持續的方法以製造氫氣，為氫動力汽車提供動力。雪梨新南威士大學、格裡菲斯大學(Griffith University)與斯威本理工大學(Swinburne University of Technology)科學家們的研究表明，可採用鐵和鎳等低成本催化劑，通過從水中將氫氧分離，以捕獲氫氣，此類催化劑不僅會加速該化學反應，還會消耗較少的能量。
  • 有了「氫農場」 太陽能光分解水制氫效率創國際新高!
    【能源人都在看，點擊右上角加'關注'】北極星太陽能光伏網訊:太陽能光催化分解水制氫可將太陽能轉化並儲存為化學能，是科學家長期以來的夢想。利用太陽能實現高效水分解制氫，不僅可以緩解人類能源的問題，還有望替代化石能源並可能改變世界能源格局。
  • 行業觀察 | 日本科學家利用紫外光分解水可實現100%的量子效率
    日本科學家利用紫外光分解水可實現100%的量子效率日本的科學家使用精心設計的催化劑成功地將水分解為氫氣和氧氣，量子效率可達到96%，這意味著幾乎沒有損失，也沒有其他的副反應。太陽能制氫的最新突破使得經濟上可行的大規模製氫可能性增加，為人類向清潔能源的邁進鋪平了道路。
  • 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
    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
  • 「氫農場」策略下,太陽能水分解制氫效率創新高
    其中，太陽能光催化分解水技術可把無限的、分散的太陽能轉化為高度集中的氫能，因此被認為是實現清潔可持續氫氣綠色高效生產的重要途徑。太陽能光催化分解水制氫，將太陽能轉化並儲存為化學能，是科學家們長期探索研究的領域。但是，光催化過程是一個跨越多個時間尺度的複雜反應過程，涉及化學、物理、生物等一系列多學科的前沿科研問題。
  • 印度科技學院研發低成本催化劑:加速水分解產氫
    據外媒報導，印度科技學院（IISc）的研究人員研發出一種低成本的催化劑，能夠加速水的分解
  • 雙金屬分解水制氫催化劑:Ti3C2 MXene+1T-WS2
    研究背景　　氫氣作為潔淨和可再生能源，被認為是理想的未來燃料。而利用太陽能通過半導體光催化分解水產生氫氣（H2）被認為是解決上述問題最有前景的方法之一。在各種半導體光催化劑中，TiO2因活性高、反應條件溫和、反應過程無毒無害、製備成本低、可循環使用、適用性廣泛等優點，是目前應用最廣泛的一種半導體光催化劑。然而，由於光生電子空穴對的快速複合使得TiO2的應用受到限制，因此大量的工作（如表面修飾、助催化劑負載和異質結構建）致力於促進光生電子和空穴的分離。其中，助催化劑的負載已被證明是提高光催化析氫反應（HER）性能的最有效途徑之一。
  • 中日學者研發電解水制氫新型催化劑:便宜,能用8千小時
    中國科學院大連化學物理研究所韓洪憲研究員和李燦院士團隊與日本理化學研究所合作，研發出一種可在強酸條件下長壽命電催化分解水的廉價電催化劑，並有望在大規模可再生能源制氫技術中應用。相關研究成果日前發表在《德國應用化學》上。
  • 美研發出新光敏染料可提高太陽能電池效率
    據美國媒體報導，美國布法羅分校教授麥可.戴緹和羅徹斯特大學教授理察·傑西艾森柏格領導的研究團隊合成了一種新的光敏染料，能大大增強太陽能電池和氫燃料電池的效率。研究發表在最近的《美國化學學會會刊》上。
  • 美國利用水高效大規模製氫即將成為現實
    )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。
  • 亞聯高科：成功研發燃料電池用天然氣制氫變換催化劑
    11月27日，亞聯高科天然氣制氫變換催化劑研發課題組對「一種寬溫無鉻水氣變換催化劑研發」項目做結題報告。該公司管理層及技術部門專家聽取了課題組對該催化劑研發過程及研發成果匯報目前，該催化劑ALGC-T1865已經在某天然氣制氫加氫一體化站內投入使用，對高溫轉化氣出口換熱工藝進行高度集成，在換熱的同時變換制氫，達到天然氣消耗最小化，少產甚至不副產蒸汽。中變入口溫度可以低至220℃，出口氣體CO含量＜0.5v/v%，氫氣轉化效率提高2~3%。
  • 浙理工團隊用O2替代Pt，實現可見光高效催化分解水制氫
    其中，光催化分解水制氫技術是典型的人工模擬光合作用，在過去近半個世紀一直是學術界的研究熱點。然而，以甲醇等生物質衍生物作為犧牲試劑的光催化分解水制氫反應不僅包含C-H鍵活化，還包含了水解離過程，兩者反應活化能都很高且需依賴不同的活性位，加之制氫過程會產生少量有毒的CO氣體，從而導致目前廣泛使用的含Pt助催化劑的制氫體系普遍存在催化劑成本居高不下、催化活性不佳以及穩定性較差的痛點問題。
  • 印度科技學院研發低成本催化劑加速水分解產氫 供燃料電池/零排放...
    （圖片來源：印度科技學院）蓋世汽車訊 據外媒報導，印度科技學院（IISc）的研究人員研發出一種低成本的催化劑，能夠加速水的分解，從而加速產生氫氣，是邁向大規模製氫的重要一步。
  • 水分解制氫研究取得重要進展
    據新華社電  作為一種重要的可持續新能源技術，開發高效、廉價的水分解電催化劑受到廣泛關注。記者13日從中南大學獲悉，中南大學材料科學與工程學院劉小鶴教授團隊在廉價電催化材料領域取得了系列進展，《先進功能材料》《應用催化B：環境》等國際權威期刊連續發表了該團隊最新研究成果。    氫能是最具前景的清潔能源之一，電解水產氫是目前較為理想的制氫技術。
  • 電解水制氫有了長壽命廉價催化劑
    將太陽能轉化為俗稱「液態陽光」的「太陽能燃料」，是應對未來化石燃料枯竭和氣候變化的重要可再生能源策略。近年來，太陽能等可再生能源發電逐步成為最為廉價的發電技術。利用光伏發電驅動電解水（PV-E）制氫，是目前最為可行的大規模可再生能源制氫技術之一。在眾多電解水技術中，質子交換膜（PEM）電解水技術受到廣泛關注。
  • 【乾貨】水電解制氫技術發展現狀及瓶頸分析
    目前，鹼水電解制氫在全球已經實現工業化，國外代表企業有法國Mcphy公司、美國Teledyne公司和挪威Nel公司，國內代表企業有蘇州競立制氫、天津大陸制氫和718所等。陶志傑提到，目前，我國水電解裝置的安裝總量在1500～2000套左右，鹼性水電解技術佔絕對主導地位。在鹼性水電解設備方面，目前國內設備的水平最大可達1000標方/小時。但鹼性水電解技術仍然存在一些的問題。
  • 太陽能分解水 構建一片「氫農場」
    李燦在接受《中國科學報》採訪時說，他們的研究就是把光催化劑做成納米顆粒分散到水裡，經太陽光照射水分解就可產生氫氣和氧氣。不過，據記者了解，這種制氫方式目前要想實現大規模工業化應用仍然面臨挑戰。太陽能分解水制氫，目前主要有三條途徑，第一條以太陽能電池發電為主，利用電解等技術把水分解成氫氣和氧氣；第二條為光電催化分解水制氫；第三條就是光催化分解水。該途徑雖然工藝簡單，但實現規模化生產的技術難度較大。「氫農場」策略就屬於第三條途徑。