新型制氫催化劑將銥的使用量減少了80%
文章來源：新能源網(wǎng) 更新時(shí)間：2025-10-16 15:33:42
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該材料可保持1500小時(shí)的工業(yè)性能，解決了綠色氫氣生產(chǎn)的主要成本和供應(yīng)鏈挑戰(zhàn)。 在脫碳競(jìng)賽中，氫已經(jīng)成為一種很有前途的清潔燃料。但是，盡管它有潛力為工業(yè)和無排放的運(yùn)輸提供動(dòng)力，但可持續(xù)的氫生產(chǎn)面臨著一個(gè)主要障礙——高成本和銥的稀缺。 萊斯大學(xué)（Rice University）的研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種新的催化劑，可以將質(zhì)子交換膜（PEM）電解槽中的銥用量減少80%以上。 這一突破可能會(huì)使綠色氫生產(chǎn)變得更加實(shí)惠和可擴(kuò)展。 萊斯大學(xué)化學(xué)與生物分子工程副教授Haotian Wang說：“這是使綠色氫更容易獲得和擴(kuò)展的重要一步，通過將銥的使用量減少80%以上，我們正在解決氫經(jīng)濟(jì)中最大的經(jīng)濟(jì)和供應(yīng)鏈瓶頸之一。” 目前的PEM電解槽嚴(yán)重依賴于銥，銥是少數(shù)幾種能夠承受水分解的惡劣酸性環(huán)境的金屬之一。但銥是地球上最稀有的元素之一，每克價(jià)格約為160美元。 Wang說：“如果不減少銥的消耗，僅電解槽的預(yù)計(jì)需求就可能超過全球年供應(yīng)量的75%。如果我們認(rèn)真考慮擴(kuò)大氫氣生產(chǎn)，這根本是不可持續(xù)的。” 為了解決這個(gè)問題，萊斯大學(xué)的研究小組設(shè)計(jì)了一種催化劑，將銥原子嵌入氧化釕晶格中，而不是覆蓋在表面。 他們與迪諾拉技術(shù)公司（De Nora Tech）合作，利用密度泛函理論和蒙特卡羅模擬來預(yù)測(cè)最佳的原子排列。 萊斯大學(xué)化學(xué)與生物分子工程副教授托馬斯·森特爾說：“我們的模擬顯示，地下層中的銥原子起著關(guān)鍵作用。它們有助于保護(hù)上面的釕原子在極端的電化學(xué)條件下不溶解。” 該團(tuán)隊(duì)合成了一種名為Ru?IrO?的材料，其特點(diǎn)是釕和銥的比例為6:1。它能維持每平方厘米2安培的工業(yè)級(jí)電流密度，持續(xù)超過1500小時(shí)，且退化最小。 森特爾說：“關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)銥在氧化釕結(jié)構(gòu)中的均勻分布，這種均勻性促進(jìn)了穩(wěn)定性，因?yàn)殂炗兄诜€(wěn)定氧化物晶格中鄰近的釕原子。” 迪諾拉技術(shù)公司的工業(yè)測(cè)試證實(shí)了催化劑的性能。在一個(gè)25平方厘米的PEM電解槽中，萊斯設(shè)計(jì)的催化劑在使用一小部分金屬的情況下與純銥系統(tǒng)的活性相匹配。 Wang說：“我們的研究結(jié)果表明，我們不需要富含銥的催化劑來實(shí)現(xiàn)耐久性。這為大規(guī)模生產(chǎn)具有成本效益的高性能PEM電解槽打開了大門。” 經(jīng)濟(jì)和科學(xué)影響經(jīng)濟(jì)分析發(fā)現(xiàn)，用Ru?IrO?代替標(biāo)準(zhǔn)氧化銥可使陽極催化劑成本降低80%以上。這種設(shè)計(jì)還減少了受銥價(jià)格波動(dòng)影響的風(fēng)險(xiǎn)。 除了成本之外，這項(xiàng)研究還為催化劑工程提供了一個(gè)新的思路——從內(nèi)部穩(wěn)定材料，而不是涂上保護(hù)層。 森特爾說：“這項(xiàng)工作強(qiáng)調(diào)了理論和實(shí)驗(yàn)是如何攜手合作的。通過將原子尺度模擬與嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)測(cè)試相結(jié)合，我們已經(jīng)能夠確定少量銥是如何穩(wěn)定整個(gè)氧化晶格的。”
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