美国开发一种更廉价的催化剂用于在商业电解装置中产生氢气

美国能源部国家加速器实验室(SLAC)和斯坦福大学的研究人员首次证明，使用一种廉价的催化剂可以在工业设备的恶劣环境中连续数小时分解水并产生氢气。

虽然基于聚合物电解质膜(PEM)的电解槽技术有可能利用可再生能源大规模生产氢气，但为了提高化学反应效率，制氢过程需要高成本的贵金属，如铂和铱的催化剂，使其发展和大面积推广应用受到限制。2019年10月14日，研究人员在《自然-纳米技术》杂志上发表的最新研究结果已经为找到更便宜的解决方案指明了方向。

该研究小组的SUNCAT界面科学与催化中心主任Thomas Jaramillo表示：氢气是一种非常重要的工业化学品，可以用来制造燃料和肥料等；氢气也是一种清洁、高能量的分子，可以用于燃料电池或储存太阳能和风能等可变能源产生的能量。但今天大部分氢是由化石燃料制造的，增加了大气中的二氧化碳含量。因此需要一种具有成本效益的方式，用清洁能源来生产它。

多年来人们一直致力于开发可在PEM系统中使用的贵金属催化剂的替代品。许多已被证明在实验室环境下可行，但Jaramillo说，据他所知，该新的研究成果是首次在工业电解槽中展示出如此高性能的催化效果。该设备位于美国康涅狄格州的PEM电解研究基地，由Nel Hydrogen公司生产。Nel Hydrogen公司是世界上历史最悠久和规模最大的电解设备制造商。

电解的工作原理很像电池的逆过程，它不是发电，而是利用电流把水分解成氢和氧。使用不同的贵金属催化剂，在不同的电极上反应产生氢气和氧气。在这种情况下，Nel Hydrogen公司用一种由沉积在碳上的磷化钴纳米颗粒形成的精细黑色粉末组成的催化剂取代了产氢侧的铂催化剂，这种催化剂由美国SLAC和斯坦福大学的研究人员制造。这种催化剂像其他催化剂一样，把其他化学物质聚集在一起，促使它们发生反应。

Jaramillo研究小组的一名研究生McKenzie H说，在整个测试过程(超过1 700 h)内，磷化钴催化剂运行得非常好，所有的迹象都表明，它完全可以胜任日常使用的化学反应，即在高温、高压和高电流密度以及在极端酸性条件下长时间进行的化学反应。我们的团队一直在研究这种催化剂及相关材料，从一个基本的实验室规模的实验开始，直到在工业操作条件下对其进行测试，在该条件下，必须用催化剂覆盖更大的表面，而且它必须在更具挑战的条件下发挥作用。

这项研究最重要的要素之一是扩大磷化钴催化剂的产量，同时保持其可以非常均匀。该过程涉及在实验室工作台上合成原材料，用研钵和研杵研磨、在烤炉中焙烧，最后把细黑粉变成可喷在多孔碳纸上的墨水，由此得到大尺寸电极，并将其装入电解槽进行制氢测试。