更低成本更有效,新的催化剂材料可以产生大量的氢

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更低成本更有效,新的催化剂材料可以产生大量的氢
麻省理工科技评论 2018-12-26

2018-12-26

澳大利亚昆士兰科技大学的化学研究人员已经发现了更便宜、更有效的氢气生产材料。他们使用两种更便宜的替代品——钴和氧化镍,只含一小部分金纳米粒子——来制造稳定的双功能催化剂,以分解水产生氢气,最终还不会产生排放排放。
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澳大利亚昆士兰科技大学的化学研究人员已经发现了更便宜、更有效的氢气生产材料。他们使用两种更便宜的替代品——钴和氧化镍,只含一小部分金纳米粒子——来制造稳定的双功能催化剂,以分解水产生氢气,最终还不会产生排放排放。

众所周知,氢气是一种清洁能源,以氢的形式储存化学能量受到了极大的关注。尽管可以通过各种方式例如甲烷的蒸汽重整来生产氢气,但是在不产生 CO2 的情况下以环保的方式生产氢气仍然是一项挑战。其中,电力驱动的电化学水分解技术不仅环保而且能够得到高纯度的氢,因此被定为最可持续方法之一。

尽管科学家在制造对析氢反应(HER)或析氧反应(OER)有活性的材料方面已经取得了很大的进展,但是,用于两种反应的双功能活性材料仍然少之又少。真正的双功能材料必须是对 HER 和 OER 都有活性,而不能仅仅在 OER 期间作为活性金属氧化物的前体。

这种情况有望得到改变。澳大利亚昆士兰科技大学的化学研究人员已经发现了更便宜、更有效的氢气生产材料。他们使用两种更便宜的替代品——钴和氧化镍,只含一小部分金纳米粒子——来制造稳定的双功能催化剂,以分解水产生氢气,最终还不会产生排放排放。

团队在《先进功能材料(Advanced Functional Materials)》期刊发表了一篇论文,首次用一种简单的方法来制备 Co(OH)2 -Au-Ni(OH)2 复合体系,从而实现整体水分解。

《Advanced Functional Materials》期刊对此研究的封面报道图

纳米级别的金作为优异的电催化剂,且其粒径的大小能有效影响 HER 活性,同时金的成本又比较高,因此最小化所使用的金的总量是需要攻克的主要难题。研究人员首次采用了电镀替代法这样一种非常有效且简单的方法,减少了氧化还原活性载体材料表面沉积的金属量。

这是一种基于电沉积 Ni(OH)2 和 Co(OH)2 的体系,该体系是在电沉积 Ni(OH)2 之前使用电镀替代物将含量低于 0.25at%的高度分散金纳米粒子沉积在电沉积 Co(OH)2 层上,以促进碱性条件下的 HER 和 OER,从而在整体水分解中起作用。

图 | Co(OH)2 -Au-Ni(OH)2复合材料的合成示意图(来源:Advanced Functional Materials)

通过氦离子显微镜图像、电化学性能测试、透射电子显微镜(TEM)、X 射线光电子能谱 (XPS)、整体水分解测试对样品进行表征和分析。结果表明,当电流密度大于 40mA·cm-2 时,该材料超过析氢反应(HER)的活性,并且对于长时间电解的两种反应都是稳定的。双电极配置、1.90V 的施加电压下,该材料在商业所用的 6m NaOH 电解质中可以很容易地实现大于 175mA·cm-2 的电流密度,进而实现整体水分解。

通过将金含量调节在 0.1 和 0.25at%之间,可以实现析氢或析氧的活性优化。这种复合材料的简单制备方法也可适用于其中需要最小化金属纳米材料的其它金属氢氧化物/金属纳米材料复合材料。

总而言之,这次研究使用一种催化剂材料代替两种不同的催化剂从水中生产氢气,从工业的角度来看是很有意义的。根据团队的介绍,有了大量可廉价'制造'的氢气,人们可以在需求高峰时分担电网压力,或者为运输系统供电,当然,其中的一大限制将是水的获取。

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