新型催化剂降低了从水中生产环境可持续氢气的成本

充足的清洁能源供应正潜伏在众目睽睽之下。它是我们可以从水中提取的氢(H2O)使用可再生能源。科学家们正在寻求从水中生产清洁氢以取代化石燃料的低成本方法，作为应对气候变化的一部分。

氢可以为车辆提供动力，同时只排放水。氢也是许多工业过程的重要化学品，尤其是在炼钢和氨生产中。在这些行业中，使用更清洁的氢气是非常可取的。

由美国能源部(DOE)阿贡国家实验室领导的一个多机构团队开发了一种低成本催化剂，用于从水中产生清洁氢气的过程。其他贡献者包括美国能源部的桑迪亚国家实验室和劳伦斯伯克利国家实验室，以及Giner Inc。

“一种称为电解的过程从水中产生氢气和氧气，已经存在了一个多世纪，”阿贡高级化学家Di-Jia Liu说。他还在芝加哥大学普利兹克分子工程学院担任联合职务。

质子交换膜(PEM)电解槽代表了该工艺的新一代技术。它们可以在接近室温的情况下以更高的效率将水分解成氢气和氧气。能源需求的减少使其成为通过使用可再生但间歇性能源(如太阳能和风能)生产清洁氢气的理想选择。

该电解槽的每个电极(阴极和阳极)都使用单独的催化剂运行。阴极催化剂产生氢气，而阳极催化剂形成氧气。一个问题是阳极催化剂使用铱，目前市场价格约为每盎司5，000美元。铱的供应不足和高成本是PEM电解槽广泛采用的主要障碍。

新催化剂的主要成分是钴，它比铱便宜得多。“我们寻求在PEM电解槽中开发一种低成本的阳极催化剂，以高通量产生氢气，同时消耗最少的能量，”刘说。“通过使用我们的方法制备的钴基催化剂，可以消除在电解槽中生产清洁氢气的主要成本瓶颈。

致力于电解槽和燃料电池商业化的研发公司Giner Inc.在工业操作条件下使用其PEM电解槽测试站评估了新催化剂。性能和耐久性远远超过竞争对手的催化剂。

进一步提高催化剂性能的重要意义在于了解电解槽操作条件下原子尺度的反应机理。该团队通过在阿贡的高级光子源(APS)上使用X射线分析，破译了催化剂在操作条件下发生的关键结构变化。他们还使用桑迪亚实验室和阿贡纳米材料中心(CNM)的电子显微镜确定了关键的催化剂特征。APS和CNM都是美国能源部科学办公室的用户设施。

“我们在制备的各个阶段对新催化剂表面的原子结构进行了成像，”阿贡材料科学家Jianguo Wen说。

此外，伯克利实验室的计算建模揭示了催化剂在反应条件下耐久性的重要见解。

该团队的成就是美国能源部氢能地球射击计划向前迈出的一步，该计划模仿了美国太空计划1960年代的“月球计划”。其雄心勃勃的目标是在十年内将绿色氢生产的成本降低到每公斤一美元。以这种成本生产绿色氢可以重塑国家经济。应用包括电网、制造、运输以及住宅和商业供暖。

“更一般地说，我们的研究结果为用更便宜和更丰富的元素取代由昂贵的贵金属制成的催化剂建立了一条有希望的道路，”刘指出。