佐治亚研究人员开发新型混合催化剂 用于高效绿色制氢

电化学水分解是一种绿色制氢方法。该过程涉及在使用催化剂（反应增强物质）的情况下，通过电力使水分子在电极上发生电化学反应，以产生氢气和氧气。 据外媒报道，佐治亚理工学院（Georgia Institute of Technology）和佐治亚技术研究所（GTRI）的研究人员开发了一种新的水分解工艺和材料，可以充分提高绿色制氢的效率。

（图片来源：佐治亚理工学院）

该团队希望以混合材料为电催化剂，降低绿色制氢成本，并使其更耐用。目前，这一过程依赖于铂和铱等贵金属成分，这些元素既昂贵又稀有，是规模化电解制氢的首选催化剂。事实上，据市场研究公司Wood Mackenzie数据，在2020年的氢气年产量中，绿色氢气占的比例不到1%。这在很大程度上是因为催化剂的费用过高。首席研究员Seung Woo Lee表示：“此项工作旨在减少使用贵金属，增加其活性和使用选项。”

该团队强调，通过金属纳米颗粒和金属氧化物之间的相互作用，支持高性能混合催化剂设计。Lee表示：“在新催化剂设计中，研究人员采用更好的氧化物基底，其中使用的贵元素更少。”这些混合催化剂在氧气和氢气（裂解）方面都表现出优异的性能。

纳米级分析

这项工作借助于研究伙伴韩国能源研究所（Korea Institute Of Energy Research）的计算和建模，以及京浦国立大学（Kyungpook National University）和俄勒冈州立大学（Oregon State University）的X射线测量，后者利用了同步加速器，这是一种足球场大小的超级X射线。Lee解释说：“利用X射线，可以在水分解过程中，从纳米尺度上监测催化剂发生的结构变化。研究人员可以探讨其在操作条件下的氧化态或原子构型。”

GTRI的研究科学家Jinho Park表示，这项研究可能有助于降低绿色制氢过程中的设备成本门槛。除了开发混合催化剂外，研究人员还微调其控制催化剂形状以及金属相互作用的技能。关键优先事项是，减少系统中使用的催化剂，同时提高其耐久性，因为催化剂在设备成本中占主要部分。

“研究人员希望在不减弱性能的情况下，长期使用这种催化剂。这项研究不仅集中在制造新型催化剂上，还致力于理解其背后的反应机理。这将为该领域的其他研究人员提供重要的见解。”

催化剂的形状问题

据介绍，关键发现在于，催化剂的形状在制氢过程中所起的作用。Park表示：“催化剂的表面结构，对于确定其是否能优化制氢非常重要。因此，研究人员试图控制催化剂的形状，以及金属和基体材料之间的相互作用。”

首先受益的关键应用包括燃料电池电动汽车加氢站（目前只在加州运营），以及微电网。目前，该团队正在与合作伙伴合作，利用人工智能探索高效制氢的新材料。