由Ryuhei Nakamura领导的日本理研可持续资源科学中心(CSRS)的研究人员已经改进了他们的绿色和可持续的方法，通过使用定制的化学反应催化剂从水中提取氢。
该研究发表在《自然催化》杂志上，详细介绍了他们如何操纵催化剂的3D结构，从而提高了催化剂的稳定性，并将催化剂的使用寿命延长了近4000%。这些发现影响了实现持久和可持续的氢能源经济的能力。
利用质子交换膜进行水电解是一种绿色的电化学方法，可将水分解为氧和氢。以这种方式产生的氢气可以储存起来供以后使用。
例如，当与质子交换膜(PEM)燃料电池结合使用时，储存的氢可以用来为电动汽车提供动力。然而，PEM电解仍有局限性，阻碍了其在发电厂等工业领域的广泛应用。
特别是，必要的化学反应发生在高度酸性的环境中，而这些反应的最佳催化剂是极其稀有的金属，如铱。
正如Nakamura解释的那样，“将PEM电解扩大到太瓦规模将需要40年的铱，这当然是不切实际的，也是高度不可持续的。”
大约两年前，Nakamura和他的团队开发了一种突破性的工艺，可以实现不依赖稀土金属的酸性电解水。通过将锰插入氧化钴晶格中，他们创造了一种仅依赖于普通和可持续的地球金属的工艺。
尽管取得了成功，但该过程仍然不像在PEM电解槽中那样稳定。现在，他们在之前发现的基础上，开发出了一种更持久的催化剂。
这种新型催化剂是一种形式的氧化锰(MnO2)。关键的发现是，通过改变催化剂的晶格结构，反应稳定性可以提高40倍以上。氧在氧化锰的三维晶格结构中有两种构型，平面和锥体。平面版与锰形成更强的键，研究人员发现，增加晶格中平面氧的数量显著提高了催化稳定性。
他们测试了四种不同的锰氧化物，它们在平面氧中的百分比不同。当使用可达到最高收率94%的版本时，在1000 mA/cm2下，临界析氧反应可在酸中维持一个月。在这种情况下转移的总电荷量是以往研究中所见的100倍。
当在PEM电解槽中进行测试时，在200 mA/cm2下，水电解可以持续约6周。在这段时间内电解的水的总量，因此产生的氢的数量，是过去用其他非稀有金属催化剂所达到的10倍。
“令人惊讶的是，”共同第一作者孔爽说，“稳定性的提高并没有以活动为代价，这通常是情况。PEM水电解槽用地球上丰富的催化剂以200毫安/平方厘米的速率产生氢气，效率很高。”
还有很多工作要做。工业应用通常需要1000 mA/cm2的稳定电流密度，持续数年，而不是一个月。尽管如此，研究人员认为，实际的、现实世界的应用最终是可能的，并有助于碳中和。
“我们将继续修改催化剂结构，以增加电流密度和催化剂寿命，”Nakamura说。“从长远来看，我们的努力应该有助于实现所有利益相关者的最终目标——在不使用铱的情况下进行PEM水电解。”
与此同时，研究人员希望他们的发现能进一步激发公众对可持续制氢的兴趣，将其作为减缓化石燃料相关气候变化的现实解决方案。
更多资料:孔爽等，质子交换膜水电解的酸稳定锰氧化物，Nature catalyst(2024)。DOI: 10.1038/s41929-023-01091-3期刊信息:自然催化由RIKEN提供引文:定制的催化剂导致更持久和更可持续的绿色氢气生产(2024,4月26日)检索自2024年4月26日https://techxplore.com/news/2024-04-custom-catalyst-longer-sustainable-green.html此文件受版权保护。除为私人学习或研究目的而进行的任何公平交易外，未经书面许可，不得转载任何部分。内容仅供参考之用。
