美國能源部(DepartmentofEnergy)SLAC國家加速器實驗室(SLACNationalAcceleratorLaboratory)和斯坦福大學(StanfordUniversity)的研究人員首次證明，一種廉價的催化劑可以在商業設備與惡劣環境中連續數小時分解水并產生氫氣。

電解槽技術，基于聚合物電解質膜(PEM)，有可能利用可再生能源大規模生產氫，但高成本的貴金屬催化劑，如鉑和銥一直阻礙著其發展。

研究人員今天在《自然-納米技術》雜志上報告說，這項研究為找到更便宜的催化劑解決方案指明了方向。

(圖片來自：GregStewart/SLAC國家加速器實驗室)

“氫氣是一種非常重要的工業化學物質，可以用來制造燃料和肥料等產品，”領導該研究小組的SUNCAT界面科學與催化中心主任托馬斯·哈拉米略(ThomasJaramillo)說。“它也是一種清潔、高能量的分子，可以用于燃料電池或儲存太陽能和風能等可變能源產生的能量。但今天產生的大部分氫是由化石燃料制造的，增加了大氣中的二氧化碳水平。我們需要一種低成本的方式，用清潔能源來生產。”

從昂貴的金屬到便宜、豐富的材料

多年來，人們一直在為PEM系統開發貴金屬催化劑的替代品。已經發現許多被證明可以在實驗室環境下工作的材料，但Jaramillo說，據他所知，這是首次在商業電解槽中展示出高性能。該設備由位于康涅狄格州的PEM電解研究基地，由NelHydrogen生產，NelHydrogen是世界上歷史最悠久和規模最大的電解設備制造商。

實驗中使用的工業電解槽。噴有催化劑粉末的電極堆積在中心金屬板內，用螺栓和墊圈壓縮固定。水通過右邊的管子流入，氫氣和氧氣通過左邊的管子排出。(圖片來自：NelHydrogen)

電解的工作原理很像電池的逆過程：它不是發電，而是利用電流把水分解成氫和氧。產生氫氣和氧氣的反應是在不同的電極上使用不同的貴金屬催化劑進行的。在這種情況下，NelHydrogen小組用一種由沉積在碳上的磷化鈷納米顆粒組成的催化劑取代了產氫側的鉑催化劑，形成一種精細的黑色粉末，由SLAC和斯坦福大學的研究人員制造。就像其他催化劑一樣，它把其他化學物質聚集在一起，促使它們發生反應。

磷化鈷催化劑在整個測試過程(超過1,700小時)內運行地非常出色，這表明它足夠在日常反應中使用，該實驗由SUNCAT研究工程師LaurieKing領導。

斯坦福大學的研究生麥肯齊·休伯特(McKenzieHubert)所用的設備可以在實驗室中測試廉價催化劑。SLAC和斯坦福大學SUNCAT中心主任ThomasJaramillo領導的團隊首次展示了這種廉價材料可以在商用電解槽中實現高性能。(圖片來自：JacquelineOrrell/SLAC國家加速器實驗室)

“我們小組已經研究了這種催化劑和相關材料一段時間，”休伯特說，“并且我們從基礎實驗室規模的實驗階段開始，通過在工業操作條件下對其進行測試，在該條件下你需要覆蓋更大的表面具有催化劑的區域，它必須在更具挑戰性的條件下發揮作用。”

該研究最重要的要素之一是擴大磷化鈷催化劑的產量，同時保持其可以非常均勻-該過程涉及在實驗室工作臺上合成原材料，用研缽和研杵研磨，在爐中烘烤以及最后將非常細的黑色粉末變成墨水，然后將其噴在多孔碳紙上。將所得的大幅面電極裝入電解池以進行制氫測試。

大規模生產氫氣

雖然電解槽的開發是由特種部資助的，特種部對特種用電解產生氧氣方面很感興趣，但Jaramillo說，這項工作也符合美國能源部的H2@Scale計劃，該計劃帶來了DOE實驗室和工業界的共同努力，推動了氫在許多應用中可以負擔得起的生產、運輸、儲存和使用氫氣的趨勢。基礎催化劑研究由美國能源部科學辦公室資助。

(圖片來自：GregStewart/SLAC國家加速器實驗室)

Nel研究與開發副總裁兼該論文的合著者KatherineAyers說：“合作使我們有機會了解這些催化劑能否長期穩定，并為我們提供了一個機會來了解它們與鉑金相比，能否提供更好的性能。”

她說：“磷化鈷催化劑的性能需要提高一些，并且其合成規模必須擴大。但是我對這些材料的穩定性感到驚訝。盡管它們產生氫氣的效率仍低于鉑金，但它是恒定的。在這種環境下，很多因素都可能導致退化。”

Ayers說，雖然鉑催化劑僅占用PEM制造氫氣總成本的8％左右，但事實是，貴金屬市場如此動蕩，價格不斷的上下波動，這可能會阻礙該技術的發展。隨著PEM電解技術其他方面的改進，以及對氫氣不斷增長的需求，降低和穩定催化劑的成本將變得越來越重要。