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氫是一種很有前景的清潔能源，具有替代排放溫室氣體的化石燃料的巨大潛力。雖然總水(H2O)裂解是獲得氫(H2)的最簡單的方法，但這個反應很慢，而且還不具備商業(yè)可行性。現(xiàn)在，科學家們已經(jīng)開發(fā)出一種新型電催化劑，可以顯著提高水分解產(chǎn)生氫氣的效率，而且這種方法既節(jié)能又經(jīng)濟。
一個多世紀以來，人類幾乎所有的東西都使用化石燃料，引發(fā)了氣候危機。現(xiàn)在的指令是到2050年實現(xiàn)凈零排放或碳中和。
氫經(jīng)濟是碳中和世界繁榮的一種方式。目前，生產(chǎn)氫燃料最簡單的方法是電化學劈水:在催化劑(反應增強物質(zhì))存在的情況下，將電通過水來產(chǎn)生氫和氧。然而，這種反應非常緩慢，需要專門的條件和貴金屬催化劑，而且總體上很昂貴。因此，以低成本、節(jié)能的方式獲得高氫氣產(chǎn)量是具有挑戰(zhàn)性的。到目前為止，水裂解制氫還沒有成功商業(yè)化。
現(xiàn)在，韓國釜山國立大學的一個研究小組在Kandasamy Prabakar教授的帶領下，開發(fā)了一種設計新型電催化劑的方法，可以解決這些問題。他們的工作已于2021年4月6日在網(wǎng)上發(fā)布，并將在《應用催化B:環(huán)境》2021年9月號第292卷中以印刷版發(fā)表。
在描述這項研究時，Prabakar教授說:“如今，90%的氫是通過向大氣排放溫室氣體的水蒸氣重整過程產(chǎn)生的。在我們的實驗室，我們已經(jīng)開發(fā)了一種基于聚合物載體的非貴金屬穩(wěn)定電催化劑，它可以有效地從水中以低成本從過渡金屬磷酸鹽中生產(chǎn)氫和氧。”
Prabakar教授的團隊利用簡單的水熱過程，在聚苯胺(PANI)納米線陣列上以不同比例沉積鈷和錳離子，從而制造出這種電解槽。通過調(diào)節(jié)Co/Mn的比例，他們達到了反應發(fā)生的整體高表面積，并結合聚苯胺納米線的高電子導電能力，促進了該催化劑表面更快的電荷和傳質(zhì)。雙金屬磷酸還具有雙功能電催化活性，可同時生產(chǎn)氧和氫。
在測試該催化劑性能的實驗中，他們發(fā)現(xiàn)其形態(tài)大大降低了反應過電位，從而提高了系統(tǒng)的電壓效率。作為耐久性的證明，即使在100 mA/cm2的連續(xù)制氫40小時后，其性能仍然保持一致。在1.54V的低輸入電壓下，水分裂是可能的。
除了這些優(yōu)點外，過渡金屬的成本較低。事實上，該系統(tǒng)可以伸縮和適應應用程序的無數(shù)設置。談到未來可能的應用，Prabakar教授解釋說:“使用這種技術的水分解設備可以安裝在需要氫燃料的現(xiàn)場，并且可以使用低能量輸入或完全可再生能源。例如，我們可以在家里用太陽能電池板生產(chǎn)氫來做飯和取暖。這樣，我們就可以在2050年之前實現(xiàn)碳中和。”
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