從水中高效批量生產(chǎn)氫即將成為現(xiàn)實(shí)

根據(jù)俄勒岡州立大學(xué)工程學(xué)院以及康奈爾大學(xué)和阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員一項(xiàng)新研究，從水中高效批量生產(chǎn)氫即將成為現(xiàn)實(shí)。

科學(xué)家們利用先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)工具，對(duì)電化學(xué)催化過(guò)程有了更清晰的認(rèn)識(shí)，這種過(guò)程比從天然氣中提取氫氣更清潔、更可持續(xù)。研究結(jié)果發(fā)表在的《科學(xué)進(jìn)展》雜志上。

氫存在于地球上各種各樣的化合物中，最常見(jiàn)的是與氧結(jié)合生成水，它在科學(xué)、工業(yè)和能源方面發(fā)揮著許多作用。它也以碳?xì)浠衔锏男问酱嬖冢@是由氫和碳組成的化合物，如天然氣的主要成分甲烷。

領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的俄勒岡州立大學(xué)化學(xué)工程教授Zhenxing Feng說(shuō)：“氫的生產(chǎn)對(duì)我們生活的許多方面都很重要，比如汽車的燃料電池和許多有用的化學(xué)物質(zhì)的制造，比如氨。”“它還被用于金屬精煉，生產(chǎn)塑料等人造材料，以及一系列其它用途?！?/p>

根據(jù)美國(guó)能源部的說(shuō)法，美國(guó)通過(guò)一種被稱為蒸汽－甲烷重整的技術(shù)，從甲烷來(lái)源（如天然氣）中生產(chǎn)大部分氫氣。該過(guò)程包括將甲烷置于有催化劑的加壓蒸汽中，產(chǎn)生氫氣、一氧化碳以及少量二氧化碳的反應(yīng)。

下一步是水氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)，一氧化碳和蒸汽通過(guò)不同的催化劑反應(yīng)，產(chǎn)生二氧化碳和額外的氫氣。在最后一步，變壓吸附，二氧化碳和其它雜質(zhì)被除去，留下純氫。

Feng教授說(shuō)：“與天然氣重整相比，利用可再生能源發(fā)電來(lái)分解水制氫更清潔、更可持續(xù)?！薄叭欢?，分解的效率很低，主要是由于過(guò)程中一個(gè)關(guān)鍵的半反應(yīng)，即析氧反應(yīng)（OER）的高過(guò)電位（電化學(xué)反應(yīng)的實(shí)際電勢(shì)和理論電勢(shì)之間的差值）。”

半反應(yīng)是氧化還原或還原－氧化反應(yīng)的兩個(gè)部分之一，其中電子在兩個(gè)反應(yīng)物之間轉(zhuǎn)移；還原是得到電子，氧化是失去電子。

半反應(yīng)的概念經(jīng)常被用來(lái)描述電化學(xué)電池中發(fā)生的事情，而半反應(yīng)通常被用來(lái)平衡氧化還原反應(yīng)。過(guò)電位是理論電壓和產(chǎn)生電解所需的實(shí)際電壓之間的界限，電解是由電流驅(qū)動(dòng)的化學(xué)反應(yīng)。

“電催化劑是通過(guò)降低過(guò)電位來(lái)促進(jìn)水分解反應(yīng)的關(guān)鍵，但開(kāi)發(fā)高性能的電催化劑遠(yuǎn)非易事?！盕eng說(shuō)，“主要的障礙之一是缺乏關(guān)于電化學(xué)操作過(guò)程中電催化劑結(jié)構(gòu)演變的信息。了解OER期間電催化劑的結(jié)構(gòu)和化學(xué)演變，對(duì)于開(kāi)發(fā)高質(zhì)量的電催化劑材料以及能源的可持續(xù)性至關(guān)重要。”

Feng和合作者使用了一套先進(jìn)的表征工具來(lái)研究最先進(jìn)的OER電催化劑，銥酸鍶（SrIrO3）在酸性電解質(zhì)中的原子結(jié)構(gòu)演變。

Feng說(shuō)：“我們想了解它的活性是普通商業(yè)催化劑氧化銥的1000多倍，創(chuàng)歷史新高的原因?！?/p>

“利用阿貢同步加速器x射線設(shè)備和OSU西北納米技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施的實(shí)驗(yàn)室x射線光電子能譜，我們?cè)贠ER期間觀察了SrIrO3的表面化學(xué)反應(yīng)和晶體到非晶態(tài)的轉(zhuǎn)變?！?/p>

這些觀察使人們對(duì)銥酸鍶能夠如此出色地充當(dāng)催化劑的原因有了更深的理解。

他說(shuō)：“我們?cè)敿?xì)的、原子尺度的發(fā)現(xiàn)解釋了活性銥鍶層是如何在銥鍶上形成的，并指出了晶格氧活化和耦合離子擴(kuò)散對(duì)活性O(shè)ER單元形成的關(guān)鍵作用?！?/p>

Feng補(bǔ)充說(shuō)，這項(xiàng)工作為應(yīng)用電勢(shì)如何在電化學(xué)界面促進(jìn)功能非晶層的形成提供了洞見(jiàn)，并為設(shè)計(jì)更好的催化劑提供了可能性。

水中高效批量生產(chǎn)氫即將成為現(xiàn)實(shí)！

2021-01-13 17:01前瞻網(wǎng) 關(guān)注發(fā)文

根據(jù)俄勒岡州立大學(xué)工程學(xué)院以及康奈爾大學(xué)和阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員一項(xiàng)新研究，從水中高效批量生產(chǎn)氫即將成為現(xiàn)實(shí)。

科學(xué)家們利用先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)工具，對(duì)電化學(xué)催化過(guò)程有了更清晰的認(rèn)識(shí)，這種過(guò)程比從天然氣中提取氫氣更清潔、更可持續(xù)。研究結(jié)果發(fā)表在的《科學(xué)進(jìn)展》雜志上。

氫存在于地球上各種各樣的化合物中，最常見(jiàn)的是與氧結(jié)合生成水，它在科學(xué)、工業(yè)和能源方面發(fā)揮著許多作用。它也以碳?xì)浠衔锏男问酱嬖冢@是由氫和碳組成的化合物，如天然氣的主要成分甲烷。

領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的俄勒岡州立大學(xué)化學(xué)工程教授Zhenxing Feng說(shuō)：“氫的生產(chǎn)對(duì)我們生活的許多方面都很重要，比如汽車的燃料電池和許多有用的化學(xué)物質(zhì)的制造，比如氨?！薄八€被用于金屬精煉，生產(chǎn)塑料等人造材料，以及一系列其它用途。”

根據(jù)美國(guó)能源部的說(shuō)法，美國(guó)通過(guò)一種被稱為蒸汽－甲烷重整的技術(shù)，從甲烷來(lái)源（如天然氣）中生產(chǎn)大部分氫氣。該過(guò)程包括將甲烷置于有催化劑的加壓蒸汽中，產(chǎn)生氫氣、一氧化碳以及少量二氧化碳的反應(yīng)。

下一步是水氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)，一氧化碳和蒸汽通過(guò)不同的催化劑反應(yīng)，產(chǎn)生二氧化碳和額外的氫氣。在最后一步，變壓吸附，二氧化碳和其它雜質(zhì)被除去，留下純氫。

Feng教授說(shuō)：“與天然氣重整相比，利用可再生能源發(fā)電來(lái)分解水制氫更清潔、更可持續(xù)。”“然而，分解的效率很低，主要是由于過(guò)程中一個(gè)關(guān)鍵的半反應(yīng)，即析氧反應(yīng)（OER）的高過(guò)電位（電化學(xué)反應(yīng)的實(shí)際電勢(shì)和理論電勢(shì)之間的差值）?！?/p>

半反應(yīng)是氧化還原或還原－氧化反應(yīng)的兩個(gè)部分之一，其中電子在兩個(gè)反應(yīng)物之間轉(zhuǎn)移；還原是得到電子，氧化是失去電子。

半反應(yīng)的概念經(jīng)常被用來(lái)描述電化學(xué)電池中發(fā)生的事情，而半反應(yīng)通常被用來(lái)平衡氧化還原反應(yīng)。過(guò)電位是理論電壓和產(chǎn)生電解所需的實(shí)際電壓之間的界限，電解是由電流驅(qū)動(dòng)的化學(xué)反應(yīng)。

“電催化劑是通過(guò)降低過(guò)電位來(lái)促進(jìn)水分解反應(yīng)的關(guān)鍵，但開(kāi)發(fā)高性能的電催化劑遠(yuǎn)非易事?！盕eng說(shuō)，“主要的障礙之一是缺乏關(guān)于電化學(xué)操作過(guò)程中電催化劑結(jié)構(gòu)演變的信息。了解OER期間電催化劑的結(jié)構(gòu)和化學(xué)演變，對(duì)于開(kāi)發(fā)高質(zhì)量的電催化劑材料以及能源的可持續(xù)性至關(guān)重要?！?/p>

Feng和合作者使用了一套先進(jìn)的表征工具來(lái)研究最先進(jìn)的OER電催化劑，銥酸鍶（SrIrO3）在酸性電解質(zhì)中的原子結(jié)構(gòu)演變。

Feng說(shuō)：“我們想了解它的活性是普通商業(yè)催化劑氧化銥的1000多倍，創(chuàng)歷史新高的原因?！?/p>

“利用阿貢同步加速器x射線設(shè)備和OSU西北納米技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施的實(shí)驗(yàn)室x射線光電子能譜，我們?cè)贠ER期間觀察了SrIrO3的表面化學(xué)反應(yīng)和晶體到非晶態(tài)的轉(zhuǎn)變。”

這些觀察使人們對(duì)銥酸鍶能夠如此出色地充當(dāng)催化劑的原因有了更深的理解。

他說(shuō)：“我們?cè)敿?xì)的、原子尺度的發(fā)現(xiàn)解釋了活性銥鍶層是如何在銥鍶上形成的，并指出了晶格氧活化和耦合離子擴(kuò)散對(duì)活性O(shè)ER單元形成的關(guān)鍵作用。”

Feng補(bǔ)充說(shuō)，這項(xiàng)工作為應(yīng)用電勢(shì)如何在電化學(xué)界面促進(jìn)功能非晶層的形成提供了洞見(jiàn)，并為設(shè)計(jì)更好的催化劑提供了可能性。

責(zé)任編輯：xj