催化剂将氢电解器中的铱用量减少了95%

催化剂将氢电解器中的铱用量减少了95% 访问：Saily - 使用eSIM实现手机全球数据漫游 安全可靠 源自NordVPN 日本理化学研究所可持续资源科学中心（CSRS）的中村隆平（Ryuhei Nakamura）领导的研究人员在今天（5 月 9 日）发表在《科学》杂志上的一项研究中报告了一种新方法，该方法将反应所需的铱量减少了 95%，而且不会改变氢的生产率。这一突破将彻底改变我们生产生态友好型氢气的能力，并有助于实现碳中和的氢经济。合成氧化铱的扫描电子显微镜图像（D）和分散在电沉积在耐腐蚀铂涂层钛网上的氧化锰上的铱（亮点）的扫描透射电子显微镜图像（E、F、G）。资料来源：理化学研究所制氢挑战世界上 70% 的面积被水覆盖，氢气是真正的可再生能源。然而，从水中提取氢气的规模还无法与化石燃料能源生产相媲美。目前，全球能源产量接近 18 兆瓦，这意味着在任何特定时刻，全球平均生产约 18 万亿瓦特的电力。替代性绿色能源生产方式要想取代化石燃料，就必须能够达到相同的能源生产率。从水中提取氢气的绿色方法是一种需要催化剂的电化学反应。这种反应的最佳催化剂产氢率最高、最稳定的催化剂是稀有金属，其中铱是最好的催化剂。但铱的稀缺是个大问题。共同第一作者孔爽说："铱是如此稀有，以至于将全球氢气生产规模扩大到太瓦级估计需要40年的铱。"催化剂开发的创新理化学研究所 CSRS 的生物功能催化剂研究小组正试图绕过铱的瓶颈，寻找其他方法来长时间高速生产氢气。从长远来看，他们希望开发出基于普通土金属的新型催化剂，这种催化剂将具有高度的可持续性。事实上，该团队最近使用一种氧化锰作为催化剂，成功地将绿色制氢稳定在一个相对较高的水平。不过，以这种方式实现工业水平的生产还需要数年时间。中村隆平说："我们需要一种方法来弥合稀有金属电解槽与普通金属电解槽之间的差距，这样我们就能在多年内逐步过渡到完全可持续的绿色氢气。"目前的研究正是通过将锰与铱相结合来实现这一目标。研究人员发现，当他们把铱原子分散在一块氧化锰上，使它们不会相互接触或凝结在一起时，质子交换膜（PEM）电解槽中的氢气产生速度与单独使用铱时相同，但铱含量减少了 95%。潜力和未来方向使用这种新型催化剂，可以连续生产氢气超过 3000 小时（约 4 个月），效率高达 82%，且无降解。合著者李爱龙说："氧化锰和铱之间意想不到的相互作用是我们取得成功的关键。这是因为这种相互作用产生的铱处于罕见的高活性 +6 氧化态"。中村隆平认为，新催化剂达到的制氢水平极有可能立即派上用场。他说："我们希望我们的催化剂能够很容易地转移到现实世界的应用中，这将立即提高目前 PEM 电解器的容量。"研究小组已经开始与工业界的合作伙伴合作，他们已经能够改进最初的铱锰催化剂。今后，理化学研究所 CSRS 研究人员计划继续研究铱和氧化锰之间的特定化学作用，希望能进一步减少必要的铱含量。同时，他们将继续与工业合作伙伴合作，并计划在不久的将来在工业规模上部署和测试这种新型催化剂。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

斯坦福大学推出改变游戏规则的电网储能液体燃料技术

斯坦福大学推出改变游戏规则的电网储能液体燃料技术 斯坦福大学的科学家们正在开发新的异丙醇生产催化系统，以优化能量的保持和释放，从而改进液体燃料的储存方法。随着加州向可再生燃料的快速转型，它需要能够为电网储存电力的新技术。太阳能发电量在夜间和冬季都会下降。风能则时好时坏。因此，该州在很大程度上依赖天然气来平抑可再生能源电力的高低起伏。人文与科学学院罗伯特-埃克斯-斯温（Robert Eckles Swain）化学教授罗伯特-韦茅斯（Robert Waymouth）说："电网使用能源的速度与你产生能源的速度相同，如果你当时没有使用它，而你又无法储存它，就必须把它扔掉。"韦茅斯正带领斯坦福大学的一个团队探索一种新兴的可再生能源储存技术：液态有机氢载体（LOHCs）。氢气已被用作燃料或发电手段，但氢气的储存和运输却非常棘手。"我们正在开发一种在液体燃料中选择性转换和长期储存电能的新策略，"《美国化学学会杂志》上详细介绍这项工作的研究报告的资深作者韦茅斯说。"我们还发现了一种新型的选择性催化系统，可以在不产生气态氢的情况下将电能储存在液体燃料中"。液体电池用于为电网储存电力的电池，以及智能手机和电动汽车电池都使用锂离子技术。由于储能规模巨大，研究人员仍在继续寻找能够补充这些技术的系统。这些候选物质中包括低浓度氢氧化物，它可以利用催化剂和高温储存和释放氢气。有朝一日，LOHC 可以广泛发挥"液体电池"的功能，储存能量并在需要时高效地将其作为可用燃料或电力返回。韦茅斯团队研究将异丙醇和丙酮作为氢能储存和释放系统的成分。异丙醇（或称擦拭用酒精）是一种高密度液态氢，可以通过现有基础设施储存或运输，直到将其用作燃料电池的燃料，或在不排放二氧化碳的情况下释放氢气以供使用。然而，用电生产异丙醇的方法效率很低。水的两个质子和两个电子可以转化为氢气，然后催化剂可以用氢气生产异丙醇。韦茅斯说："但在这个过程中，你并不想要氢气。它的单位体积能量密度很低。我们需要一种方法，在不产生氢气的情况下，直接用质子和电子制造异丙醇。"这项研究的第一作者丹尼尔-马龙（Daniel Marron）最近刚刚完成了斯坦福大学的化学博士学位，他确定了如何解决这个问题。他开发了一种催化剂系统，可将两个质子和两个电子与丙酮结合，从而选择性地生成 LOHC 异丙醇，而不会产生氢气。他使用铱作为催化剂实现了这一目的。一个关键的惊喜是，二茂钴是一种神奇的添加剂。二茂钴是一种非贵金属钴的化合物，长期以来一直被用作简单的还原剂，而且价格相对低廉。研究人员发现，在这一反应中，二茂钴作为助催化剂的效率非同一般，它能直接向铱催化剂提供质子和电子，而不是像之前预期的那样释放出氢气。根本的未来钴已经是电池中的一种常见材料，需求量很大，因此斯坦福大学的研究小组希望他们对二茂钴特性的新认识能够帮助科学家们为这一过程开发其他催化剂。例如，研究人员正在探索更为丰富的非贵重地球金属催化剂，如铁，以使未来的 LOHC 系统更加经济实惠和可扩展。韦茅斯说："这是基础科学，但我们认为我们已经找到了一种新策略，可以更有选择性地将电能储存在液体燃料中。"随着这项工作的发展，人们希望 LOHC 系统能够改善工业和能源行业或单个太阳能或风能农场的能源存储。尽管幕后工作复杂而具有挑战性，但正如韦茅斯所总结的那样，这个过程实际上非常优雅："当拥有有多余的能量，而电网又没有需求时，就它储存起来。当需要这些能量时，就可以将其作为电能返回。"编译来源：ScitechDailyDOI: 10.1021/jacs.4c02177 ... PC版： 手机版：

科学家发现足够廉价的燃料电池催化剂关键成分

科学家发现足够廉价的燃料电池催化剂关键成分 然而，要在这些铁氮碳催化剂的耐久性和效率之间取得平衡却并非易事，因此这一过程充满了挑战。虽然他们已经成功地使催化剂具有持久性或高性能，但同时实现这两个属性仍然是一个巨大的障碍。布法罗大学领导的一项新研究可能会提供一种解决方案。在《自然-催化》杂志上，研究人员报告了如何在制造过程中加入氢气，从而制造出接近铂金性能的强效催化剂。前排中间的吴刚正在努力降低与生产气候友好型燃料电池相关的成本。图片来源：布法罗大学 Douglas Levere。这一进展表明，燃料电池技术在帮助汽车、卡车、火车、飞机和其他重型车辆实现无污染供电的潜力方面迈出了重要一步。"多年来，科学界一直在努力平衡这种权衡。我们可以制造出低成本的有效物质，但它们太容易降解。或者，我们可以制造出非常稳定的物质，但其性能却无法与铂相提并论。"这项研究的通讯作者、工程与应用科学学院化学与生物工程系教授吴刚博士说："通过这项工作，我们朝着解决这个问题迈出了一步。这项工作建立在吴领导的先前研究基础之上，该研究描述了铁-氮-碳催化剂，虽然这种催化剂经久耐用，但却难以加快燃料电池中的重要化学反应。新研究在一种名为热解的制造工艺中解决了这一局限性，该工艺涉及使用极高的温度来组合材料。在高温分解过程中，研究人员在高温舱中将四个氮原子与铁结合在一起。然后，他们将这种材料嵌入几层石墨烯中，石墨烯是一种坚韧、轻盈、柔韧的碳。通常，这一过程是在一个装有氩气等惰性气体的腔体内进行的。但这次，研究人员将氢气送入舱内，形成了 90% 的氩气和 10% 的氢气混合物。因此，研究人员能够更精确地控制催化剂的构成。具体来说，他们能够将两种不同的铁-氮-碳化合物（一种含有 10 个碳原子，另一种含有 12 个碳原子）置于有助于提高耐久性和效率的位置。由此产生的催化剂达到了燃料电池的初始性能，远远超过了能源部 2025 年的目标。事实证明，它比大多数铁氮碳催化剂更耐用，接近燃料电池使用的典型低铂阴极。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

新发现的有机催化剂可替代铂而大大降低燃料电池的成本

新发现的有机催化剂可替代铂而大大降低燃料电池的成本 大气中的二氧化碳含量已达到前所未有的高度，这就更加需要清洁能源解决方案来替代化石燃料。研究人员面临的一个障碍是，目前的燃料电池技术依赖于使用昂贵的金属催化剂（如铂）来将氢气转化为能量；然而，弗吉尼亚大学艺术与科学学院和研究生院的一个研究小组发现了一种有机分子，它可以有效地替代传统的金属催化剂，而且成本更低。燃料电池使电动汽车、工业和民用发电机成为可能，也是储存风能或太阳能所需的能源，它使用铂等金属引发化学反应，将氢气等燃料分裂成质子和电子，然后利用这些质子和电子发电。到目前为止，稀有金属催化剂的有机替代品还不被认为是实用的，因为催化过程会导致它们分解成不再有用的组成部分。然而，在《美国化学学会杂志》上发表的一篇论文中，化学副教授查尔斯-马坎和迈克尔-希林斯基，以及博士生艾玛-库克和安娜-戴维斯，发现了一种由碳、氢、氮和氟组成的有机分子，它有可能成为一种实用的替代品。马坎说，这种分子不仅可以启动氧气的还原反应（这是燃料电池内部发生的反应），还可以继续与反应产物发生反应，然后恢复到原来的状态。这些分子在大多数分子降解的条件下都很稳定，而且它们能持续获得与过渡金属催化剂水平相当的活性。查尔斯-马坎（左）和迈克尔-希林斯基（右）发现了一种有机分子，它可以取代燃料电池中稀有而昂贵的金属。资料来源：弗吉尼亚大学这一发现为寻找使用可持续性更强、生产成本更低的材料的高效燃料电池迈出了重要一步，并有可能在未来五到十年内开发出下一代燃料电池。"这种分子本身可能无法应用于燃料电池，"马坎说。"这一发现表明，可以存在碳基催化材料，如果用某些化学基团对其进行修饰，就有望将其转化为氧气还原反应的催化剂。最终的目标是将这种分子如此稳定的特性整合到大块材料中，以取代铂的使用。"希林斯基的研究小组主要研究有机化学，他强调了研究小组跨学科性质的重要性。"希林斯基说："我们用作催化剂的这种分子在我的实验室已有历史，但我们一直在研究它在化学反应中的用途，这些反应是在更大的含碳分子上进行的，比如药物中的活性成分。"如果没有查理-马坎的专业知识，我不认为我们会把它与燃料电池化学联系起来"。这一发现还可能对过氧化氢的工业生产产生影响，过氧化氢是一种家用产品，也可用于造纸和废水处理。"制造过氧化氢的过程对环境不友好，而且非常耗能，"马坎说。"它需要对甲烷进行高温蒸汽重整，以释放出用于生成过氧化氢的氢气。"他的团队的研究成果还可以改进该工艺的催化部分，从而对工业和环境以及水处理技术产生积极影响。希林斯基还指出，这一发现以及由此引发的合作所产生的影响可能远远超出能量储存的范围。"从大的方面来说，这项研究最令人兴奋的一点是，通过使催化剂电气化，我们改变了催化剂的反应方式。这是意料之外的事情，也可能对药物合成有用，我的研究小组正急于探索这一点。"马坎的研究小组主要从事分子电化学研究，他还将这一发现归功于研究小组的跨学科性质。"如果没有小组在制造能够进行必要反应的稳定有机分子方面的专有技术，这项工作就不可能完成。这种独特的有机分子使我们能够做到通常只有过渡金属才能做到的事情，"马坎说。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

新型纳米孔材料储存的氢比固态氢本身多67%

新型纳米孔材料储存的氢比固态氢本身多67% 在所有燃料中，它的单位质量能量最高，但储存起来很麻烦。把它保存在气罐里，需要大约 700 个大气压的压缩。如果将其保存为液体，则需要保持比绝对零度高出 20 度的低温。即使把它压缩成超冷液体，它的重量可能很轻，但它所占的体积却令人吃惊，而且很不方便，这使得它既耗能，又很难在空间有限的地方进行包装。现在，韩国研究人员称，他们已经创造出一种材料，能以比低温液态氢密度高一倍的密度储存氢。这项新研究的第一作者、蔚山国立科学技术研究院（UNIST）的 Hyunchul Oh 说："我们的创新材料代表了氢气存储领域的范式转变，为传统方法提供了令人信服的替代方案。"作为一种分子，氢可以通过一种叫做物理吸附的过程物理吸附到多孔材料中。高多孔材料以前曾展示过在单位质量内储存大量氢的能力，但它们在小体积内储存大量能量方面却一直很吃力。由五个氢分子（紫色和红色）组成的分子团占据了材料中的一个孔隙直到现在。研究小组合成了纳米多孔硼氢化镁（Mg(BH4)2），这种框架由部分带负电荷的氢原子构成纳米孔的内表面，能够吸附氢气和氮气。虽然氮气和氢气都能进入孔隙，但研究人员发现，由于氮气和氢气在孔隙中占据不同的吸附位点，氢气的气体吸收量要大三倍。研究人员观察到，小孔中氢密度高的原因在于氢分子的各向异性（与方向有关）形状，在接近环境压力时，氢分子通常呈紧密堆积的球状。这种材料以三维排列方式储存了五个氢分子团，从而提高了容积容量。他们发现，Mg(BH4)2每升孔隙容积可存储前所未有的 144 克氢，而低温液态氢只能存储 70.8 克/升，固态氢甚至只能存储 86 克/升。研究人员表示，他们的研究成果解决了大规模氢气存储的关键难题，提高了氢气的效率和经济可行性。这会是氢动力飞机的解决方案吗？可能不会。正如几年前ZeroAvia 公司的 Val Miftakhov 向我们解释的那样，航空环境中的液态氢系统可以实现 30% 左右的氢气质量分数，另外 70% 的重量则由储氢罐和低温冷却设备增加。根据这项研究，这种纳米孔存储材料的质量分数为 21.7%，因此其单位重量所携带的能量是储罐中气态氢气的两倍，但低温液态系统会更轻。另一方面，它肯定能在长途运输或卡车运输中发挥作用，因为在这种情况下，重量不是问题，而体积则更为重要。当然，这似乎也是目前静态储能的最佳方法，在这种情况下，氢气的使用或多或少会像电池一样。我们还想进一步了解它是如何释放的，在什么样的温度和压力下工作，以及以这种方式储存氢气的往返能量损失可能是多少，但这无疑是该领域的一个突破性进展。这项研究发表在《自然-化学》杂志上。 ... PC版： 手机版：

革命性催化剂涂层技术在短短4分钟内大幅提升燃料电池性能

革命性催化剂涂层技术在短短4分钟内大幅提升燃料电池性能 一个合作研究小组开发出一种新型催化剂涂层技术，只需四分钟就能将固体氧化物燃料电池的性能提高三倍，为能源转换技术带来了潜在的进步。资料来源：韩国能源研究所（KIER）该技术采用纳米级氧化镨催化剂，针对空气电极的氧还原反应，显著提高了 SOFC 的功率输出。这种新方法既经济又与现有制造工艺兼容，有望得到更广泛的应用，包括高温电解制氢。韩国能源研究所（KIER）氢聚合材料实验室的 Yoonseok Choi 博士与韩国科学技术院（KAIST）材料科学与工程系的 WooChul Jung 教授和釜山国立大学材料科学与工程系的 Beom-Kyung Park 教授一起，成功开发出一种催化剂涂层技术，可在短短 4 分钟内显著提高固体氧化物燃料电池（SOFC）的性能。作为推动氢经济发展的高效清洁能源设备，燃料电池正受到越来越多的关注。其中，固体氧化物燃料电池（SOFC）的发电效率最高，可使用氢气、沼气和天然气等各种燃料。此外，它们还可以利用发电过程中产生的热量，实现热电联产，因此成为目前研究和开发的热点。SOFC 的 LSM-YSZ 电极电化学涂层工艺示意图。资料来源：韩国能源研究院（KIER）固体氧化物燃料电池（SOFC）的性能在很大程度上取决于发生在空气电极（阴极）上的氧还原反应（ORR）动力学。空气电极的反应速率慢于燃料电极（阳极）的反应速率，从而限制了整体反应速率。为了克服这种缓慢的动力学特性，研究人员正在开发具有高 ORR 活性的新型空气电极材料。然而，这些新材料一般仍缺乏化学稳定性，需要不断进行研究。联合研究小组照片（最右边为高级研究员 Yoon-Seok Choi）。资料来源：韩国能源研究院（KIER）研究团队将重点放在提高 LSM-YSZ 复合电极的性能上，这种材料因其出色的稳定性而被广泛应用于工业领域。因此，他们开发了一种在复合电极表面涂覆纳米级氧化镨（PrOx）催化剂的涂层工艺，这种催化剂能积极促进氧还原反应。通过应用这种涂层工艺，他们显著提高了固体氧化物燃料电池的性能。研究小组引入了一种电化学沉积方法，该方法可在室温和大气压力下运行，无需复杂的设备或工艺。将复合电极浸入含有镨（Pr）离子的溶液中并施加电流，电极表面产生的氢氧根离子（OH-）会与镨离子发生反应，形成沉淀，均匀地覆盖在电极上。该涂层经过干燥过程，转化为氧化物，在高温环境中保持稳定并有效促进电极的氧还原反应。整个涂层过程只需 4 分钟。此外，研究小组还阐明了涂层纳米催化剂促进表面氧交换和离子传导的机制。他们提供的基本证据表明，催化剂涂层方法可以解决复合电极反应速率低的问题。通过对所开发的催化剂涂层复合电极和传统复合电极进行超过 400 小时的操作，研究小组观察到极化电阻降低了十倍。此外，在 650摄氏度的条件下，使用这种涂层电极的 SOFC 的峰值功率密度（142 mW/cm² → 418 mW/cm²）是未涂层情况下的三倍。这代表了使用 LSM-YSZ 复合电极的 SOFC 的最高性能。共同通讯作者 Yoonseok Choi 博士说："我们开发的电化学沉积技术是一种后处理方法，不会对现有的 SOFC 制造工艺产生重大影响。这使得引入氧化物纳米催化剂具有经济可行性，提高了其工业应用性。我们已经掌握了一项核心技术，它不仅可以应用于 SOFC，还可以应用于各种能量转换设备，例如用于制氢的高温电解 (SOEC)。"编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：