由美国能源部阿贡国家实验室领导的一个由多机构组成的团队日前开发出了一种低成本的催化剂，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公司。

 

　　研究结果日前发表在《科学》杂志上。

 

　　阿贡国家实验室高级化学家刘迪佳（音译）说：“一种从水中产生氢气和氧气的电解过程已经存在了一个多世纪。”这位高级化学家芝加哥大学普利兹克分子工程学院担任联合研究员。

 

　　质子交换膜(PEM)电解槽代表了这一过程的新一代技术。它们能在接近室温的条件下以更高的效率将水分解成氢气和氧气。减少的能源需求使它们成为使用可再生但间歇性的能源(如太阳能和风能)生产清洁氢气的理想选择。

 

　　这种电解槽的每个电极(阴极和阳极)都有单独的催化剂。阴极催化剂生成氢气，而阳极催化剂生成氧气。问题是阳极催化剂使用铱，目前的市场价格约为每盎司5000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。

 

　　而新催化剂的主要成分是钴，它比铱便宜得多。刘迪佳说：“我们试图在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。”“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。”

 

　　Giner公司是一家致力于电解槽和燃料电池商业化的领先研发公司，在工业操作条件下使用其PEM电解槽试验站对新型催化剂进行了评估。性能和耐用性远远超过竞争对手的催化剂。

 

　　了解电解槽操作条件下原子尺度上的反应机理对进一步提高催化剂性能具有重要意义。该团队通过使用阿贡国家实验室先进光子源(APS)的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。他们还在桑迪亚实验室和阿贡纳米材料中心(CNM)使用电子显微镜鉴定了催化剂的关键特征。 APS和CNM都是美国能源部科学办公室的用户设施。

 

　　阿贡国家实验室材料科学家文建国（音译）说：“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。”

 

　　此外，伯克利实验室的计算模型揭示了这种新型催化剂在反应条件下的耐久性的重要论述。

 

　　这个团队的成就意味着美国能源部的“氢能地球”计划向前迈出重要一步，该计划模仿了20世纪60年代美国太空计划的“月球计划”。其雄心勃勃的目标是在十年内将绿色氢气生产的成本降低到每公斤1美元。以这种成本生产绿色氢气可能会重塑美国经济。应用领域包括电网、制造业、交通运输以及住宅和商业供暖。

 

　　刘迪佳说：“更一般地说，我们的研究结果为用更便宜、更丰富的元素取代昂贵的贵金属催化剂开辟了一条有前途的道路。”

 

　　除刘迪佳外，阿贡国家实验室的作者还有钟丽娜(现就职于上海交通大学)、文建国、徐海平、杰里米·克鲁普夫、徐文茜和林晓敏。伯克利实验室的作者包括高国平、李海霞和王玲旺。来自桑迪亚实验室的作者是Joshua D. Sugar。撰稿人是Zach Green和徐辉（音译）来自Giner公司。