美国深入了解电化学催化工艺 有助于实现水分解高效大规模制氢

据外媒报道，美国俄勒冈州立大学工程学院的研究人员将与康奈尔大学和阿贡国家实验室的研究人员合作，实现高效的大规模水制氢。

通过利用先进的实验工具来了解铱锶催化剂的高活性，科学家们对电化学催化过程有了更清晰的了解，这比使用天然气生产氢气更清洁、更可持续。氢存在于各种化合物中，其中最常见的是与氧结合生成水，它在科学、工业和能源相关领域也发挥着作用。此外，氢气还以碳氢化合物的形式存在，如甲烷，它是天然气的主要成分，由氢气和碳组成。领导这项研究的化学工程教授冯振兴说：“氢气生产对我们生活的许多方面都非常重要，比如汽车燃料电池、氨和许多其他有用的化学物质。此外，它还可以用于提炼金属、生产塑料和其他人工材料，以及用于各种用途。”据美国能源部称，美国主要使用蒸汽甲烷重整技术从天然气和其他甲烷中提取氢气。这个过程包括将甲烷与催化剂一起放入加压蒸汽中，以产生氢气、一氧化碳和少量二氧化碳的反应。下一步是水煤气转化反应，一氧化碳和蒸汽将通过不同的催化剂反应，产生二氧化碳和额外的氢气。最后一步是使用变压吸附去除二氧化碳和其他杂质，只留下纯氢气。冯教授说：“与天然气重整技术相比，使用可再生能源通过分解水来生产氢气来发电更清洁、更可持续。然而，由于该过程中一个关键的半活性析氧反应的高过电位，分解水的效率非常低。“半反应是氧化还原反应中两个反应的一部分，其中电子在两个反应物之间转移，还原指获得电子，氧化指失去电子。半反应的概念通常用于描述电化学电池中发生的事情，而半反应通常用于平衡氧化还原反应。过电位是电解反应所需的理论电压和实际电压之间的差值，其中电解是由电流驱动的化学反应。冯教授说：电催化剂是通过降低过电位来改善水分解反应的关键，但开发高性能电催化剂并非易事。主要障碍之一是缺乏关于电催化剂结构在电化学操作过程中如何演变的信息。了解OER反应过程中电催化剂结构的化学演变过程对于开发高质量的电催化剂材料和实现能源可持续性至关重要。冯教授和他的合作伙伴使用一套先进的表征工具研究了最新OER电催化剂锶铱在酸电解液中的原子结构演变。冯教授说：， “我们想知道为什么在OER反应中，氧化锶铱的活性比普通商用催化剂高1000倍。我们使用阿贡国家实验室的同步辐射X射线设备和俄亥俄州立大学西北纳米技术基础设施实验室的X射线光电子能谱，观察了铱锶的表面化学财产氧化铟和在OER反应中从晶体转化为无定形固体的过程。“这些观察结果可以更深入地理解为什么锶铱是一种优秀的催化剂。冯教授还补充说，这项研究为如何利用潜力促进电化学界面上功能性非晶层的形成提供了见解，也有助于设计更好的催化剂。

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