北理工研究人员设计的电催化剂促进了清洁氢气的生产效率

北理工研究人员设计的电催化剂促进了清洁氢气的生产效率北京理工大学的研究人员设计了一种具有非晶相和晶相以及丰富缺陷的电催化剂，可以更有效地分解水并产生清洁燃烧的氢气。图片来源：纳米研究能源，清华大学出版社研究人员的研究结果最近发表在《纳米研究能源》杂志上。中国科学院教授李翠玲表示：“由可再生能源驱动的水电解制氢，即利用电流分解水，将氢气与氧气分离，是缓解和解决能源和环境危机的一项有前景的技术。”析氧反应是水电解的阳极反应，其中直流电引起化学反应，将氧分子从水分子中分离出来。然而这种反应是“一个缓慢的过程”，它限制了水电解作为生产氢气的可持续机制。据李说，析氧反应很慢，因为它需要大量的能量来触发分子转移其成分，但如果与更高效的催化剂结合，可以用更少的能量加速。开发用于析氧反应的高效电催化剂对于开发用于清洁能源转换的电化学装置至关重要，研究人员转向氧化钌，这是一种成本较低的催化剂，与其他催化剂相比，它对反应物和中间体的粘附更少。李说：“与商业产品相比，氧化钌基纳米材料具有更好的析氧反应性能，而迫切需要更复杂的电催化剂设计策略来激发更有效的催化性能，并且在很大程度上尚未得到探索。”为了填补这一空白，研究人员合成了氧化钌多孔颗粒。然后，他们处理颗粒以产生合理调节的异相，这意味着颗粒包含集成在一起的不同结构。多孔和多相结构提供了一种缺陷-本质上是原子结构中的缺口，这使得析氧反应能够更有效地进行更多的活性位点。李说：“得益于所得样品的丰富缺陷、晶体边界和活性位点可及性，证明了优异的析氧反应性能。工程电催化剂不仅能产生更好的析氧反应，而且还可以产生更好的析氧反应。为该过程提供更少的电力。这项研究证明了相工程的重要性，并为策略组合催化剂的设计和合成提供了新途径。”...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1368041.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1368041.htm

从水中提取清洁燃料 - 一种突破性的低成本催化剂被发明出来

从水中提取清洁燃料-一种突破性的低成本催化剂被发明出来由美国能源部（DOE）阿贡国家实验室（ArgonneNationalLaboratory）领导的一个多机构团队开发出了一种低成本催化剂，用于从水中产生清洁氢气的过程。其他贡献者包括能源部的桑迪亚国家实验室、劳伦斯伯克利国家实验室以及Giner公司。阿贡高级化学家Di-JiaLiu说："一种名为电解的工艺可以从水中产生氢气和氧气，这种工艺已经存在了一个多世纪。"他还在芝加哥大学普利兹克分子工程学院担任联合职务。质子交换膜（PEM）电解器代表了这一过程的新一代技术。它们能在接近室温的条件下以更高的效率将水分离成氢和氧。能源需求的减少使其成为利用太阳能和风能等可再生但间歇性能源生产清洁氢气的理想选择。高级化学家Di-JiaLiu在管式炉内检查热处理后的催化剂样品，博士后ChenzhaoLi正在搬运用于催化剂合成的压力反应器。图片来源：阿贡国家实验室这种电解器的每个电极（阴极和阳极）都使用不同的催化剂。阴极催化剂产生氢气，而阳极催化剂形成氧气。问题在于阳极催化剂使用的是铱，而铱目前的市场价格约为每盎司5000美元。铱的供应不足和高昂的成本成为PEM电解槽广泛应用的主要障碍。新催化剂的主要成分是钴，其价格比铱便宜得多。Liu说："我们试图在PEM电解槽中开发一种低成本阳极催化剂，这种催化剂能以高产能产生氢气，同时能耗极低。通过使用我们的方法制备的钴基催化剂，可以消除在电解槽中生产清洁氢气的主要成本瓶颈。Giner公司是一家致力于电解槽和燃料电池商业化的领先研发公司，该公司利用其PEM电解槽测试站在工业运行条件下对新型催化剂进行了评估。其性能和耐用性远远超过了竞争对手的催化剂。要进一步提高催化剂的性能，重要的是了解电解槽运行条件下原子尺度的反应机制。研究小组利用阿贡高级光子源(APS)的X射线分析，破解了催化剂在工作条件下发生的关键结构变化。他们还在桑迪亚实验室和阿贡纳米材料中心（CNM）使用电子显微镜确定了催化剂的关键特征。APS和CNM都是能源部科学办公室的用户设施。阿贡材料科学家文建国说："我们对新催化剂在不同制备阶段的表面原子结构进行了成像。此外，伯克利实验室的计算建模揭示了催化剂在反应条件下的耐久性的重要见解。该团队的成就是能源部氢能源地球射击计划（HydrogenEnergyEarthshotinitiative）向前迈出的一步，该计划模仿了20世纪60年代美国太空计划的"月球射击"（MoonShot）。该计划的宏伟目标是在十年内将绿色氢气的生产成本降至每公斤一美元。以这样的成本生产绿色氢气可以重塑国家经济。其应用领域包括电网、制造、运输以及住宅和商业供暖。Liu指出："更广泛地说，我们的研究成果为用成本更低、资源更丰富的元素取代昂贵的贵金属催化剂开辟了一条充满希望的道路"。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1372121.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1372121.htm

SunGreenH2的纳米级工程可使绿色氢气产量翻倍

SunGreenH2的纳米级工程可使绿色氢气产量翻倍如果有一天要建立一个国家氢经济，那么我们将需要改变一些事情。其中之一就是我们如何生产氢气本身，其中绝大部分来自化石燃料。SunGreenH2为绿色氢气生产带来了纳米技术水平的进步，为电解提供了增压，因此可以直接从水中清洁地制造更多的氢气。氢气在各地都在使用，但由于缺乏可扩展的绿色生产方式，它的采用速度减慢了。如果必须从天然气、石油和煤炭中获取氢气那么为可再生能源建立一个氢气电池系统又有什么意义呢？答案是电解过程，它将水分子分离成其组成原子，并产生氢气和氧气。听起来很好，但它需要大量的能源和昂贵的元素，如铂金来生产催化剂和膜，这就构成了任何现代电解池的技术三明治。因此，绿色氢气比脏氢气贵几倍且更难制造。SunGreenH2来了，它对这些电池的一个关键部分做了重大改进：电极。该公司称，它可以将氢气产量提高一倍、降低成本并减少对铂金和其他稀有元素的依赖，算是一举多得。这家公司的CEO兼联合创始人TulikaRaj说道：“我们正在对一种专有的合金基阴极进行纳米结构化，从而使可用于反应的表面积增加一倍。这使那里产生的氢气数量增加了一倍。但这还不够，你需要有可扩展性和可制造性。所以它不使用贵金属--在这种情况下，我们将所需的数量减少30倍。”她表示，实际上所有现代电解器都可以使用这种改进的电极。“我们的想法是提升整个行业，”她说道。纳米结构的表面是主要的进步，大家可以下面看到它的扫描电子显微镜图像。它看起来有点混乱，但这种材料经过精心设计，跟电解过程中的其他化学成分（主要是水和催化剂）相互作用。另外通过形成一种三维海绵结构而不是平坦或粗糙的结构，使得反应可以发生的表面积翻倍。纳米结构的一个弱点是，它们非常脆弱且容易退化，随着时间的推移，它们的有效性都会降低。SunGreenH2已经通过“牺牲催化剂的新概念”在这一缺陷面前走了出来。Raj解说道：“增加表面积和调整沉积材料的结晶度分别能带来性能和稳定性的改善，而使用牺牲催化剂则使主催化剂的寿命显著提高。在目前/现有的技术中，由于催化剂的腐蚀，电极的性能降低。在SunGreenH2开发的技术中，牺牲催化剂的腐蚀导致了表面积的增加，这弥补了腐蚀的影响。”换言之，这第二种材料弥漫在结构中，其腐蚀过程使主要催化表面保持新鲜。蒙圈，该公司已经筹集了200万美元的种子轮融资，由SGInnovate牵头，VinciBV、CapVista、EntrepreneurFirst、SOSV的HAX、she1K和ApsaraInvestments参与。Raj称，这笔钱将用于他们在墨尔本的第一座工厂建设工作，从而来满足他们早期合作伙伴的需求，这些合作伙伴目前都对外保密，但包括欧盟、美国、加拿大、日本和新加坡的主要能源企业。虽然SunGreen一开始打算单独销售电极组件，但它明年计划跟系统集成商合作以生产整个电解堆并最终跟更大的公司合作进而生产出更多的端到端解决方案。所有这一切都取决于他们在这些早期的成功，但如果绿色氢气革命...PC版：https://www.cnbeta.com/articles/soft/1303531.htm手机版：https://m.cnbeta.com/view/1303531.htm

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（RyuheiNakamura）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：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1430304.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1430304.htm

科学家开发出生产绿色氢气的更高效新方法

科学家开发出生产绿色氢气的更高效新方法这项新研究最近发表在《焦耳》（Joule）杂志上，重点关注氢气或合成气的生产，合成气是氢气和一氧化碳的混合物，可转化为汽油、柴油和煤油等燃料。科罗拉多大学博尔德分校的研究小组为第一种完全利用太阳能生产这种燃料的商业化可行方法奠定了基础。这可能有助于工程师以更可持续的方式生产合成气。该小组由化学与生物工程系教授AlWeimer领导。这项新研究的两位主要作者之一、化学与生物工程系副研究员肯特-沃伦（KentWarren）说："我的想法是，有朝一日，当你去加油站加油时，我们会有无铅汽油、超级无铅汽油和乙醇汽油等多种选择，然后还有一种太阳能燃料可供选择，这种燃料来自阳光、水和二氧化碳。我们希望它在成本上能够与从地下获取的燃料相媲美。"传统上，工程师们通过电解法生产氢气，即利用电能将水分子分裂成氢气和氧气。而该团队的"热化学"方法则是利用太阳光产生的热量来完成同样的化学反应。这种方法还能将从大气中提取的二氧化碳分子分裂成一氧化碳。科学家们之前已经证明，这种制造氢气和一氧化碳的方法是可行的，但其效率可能不足以以商业上可行的方式生产合成气。在新的研究中，研究人员证明，他们可以在较高的压力下进行这些反应，部分原因是采用了铁铝酸盐材料，这种材料相对便宜，在地球上也很丰富。这些较高的压力使研究小组的氢气产量增加了一倍多。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1382709.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1382709.htm

释放氢气的潜力：小苏打作为可再生能源存储的关键

释放氢气的潜力：小苏打作为可再生能源存储的关键最有前途的可再生能源载体之一是清洁氢，它是在没有化石燃料的情况下生产的。宇宙中最丰富的元素是氢，它存在于所有物质的75%中。此外，一个氢分子有两个成对的原子——双子座双胞胎，既无毒又高度可燃。氢的燃烧潜力使其成为全球能源研究人员的一个有吸引力的课题。在太平洋西北国家实验室(PNNL)，一个团队正在研究氢作为储存和释放能量的介质，主要是通过破坏其化学键。他们的大部分工作都与能源部(DOE)的氢材料高级研究联盟(HyMARC)有关。PNNL的一个研究重点与优化储氢有关，这是一个棘手的问题。迄今为止，还没有完全安全、成本效益高且节能的大规模储存氢气的方法。PNNL研究人员最近与人合着了一篇论文，研究将小苏打溶液作为储存氢气的方法。这项研究已经被英国皇家化学会出版的《绿色化学》杂志称为“热点论文”。这意味着它有很多点击显示出兴趣。PNNL的氢基储存工作由美国能源部能源效率和可再生能源办公室(EERE)的氢和燃料电池技术办公室资助。该研究推进了美国能源部的[email protected]计划以及该机构的HydrogenShot。这篇新论文的两位主要作者是化学家和PNNL实验室研究员ThomasAutrey和他的同事OliverGutiérrez，后者是使化学反应快速且具有成本效益的专家。清洁氢作为一种能源有着广阔的前景。例如，一种称为电解的过程可以将水分解成氢气和氧气。在最好的情况下，电解能源将来自可再生能源，包括太阳能、风能和地热能。然而，有一个顽固的挑战：如何能够以更便宜的价格生产氢气。为解决这个问题，美国能源部在2021年宣布了其EnergyEarthshots计划，该计划包括六个步骤以支持清洁能源技术的突破。首先推出的是HydrogenShot，旨在在十年内将氢的成本从每公斤5美元降低到1美元——降低80%。Autrey说，除了降低清洁氢的生产成本外，“你还必须弄清楚如何移动和储存它，”这些步骤可以使价格回升。但一直难以找到理想的储氢介质。氢气可以压缩成气体，但这需要非常高的压力——高达每平方英寸10000磅。一个安全的储罐需要非常厚的钢壁或昂贵的太空级碳纤维。低温液氢怎么样？这是一种经过验证的存储介质，但需要获取并保持低温（-471F或-279.4C），因此外围能源成本很高。最有希望的似乎是液体分子，经过优化以储存和释放氢气。可持续能源专家杰米·霍拉迪(JamieHolladay)最近指导了PNNL牵头的研究，以研究更简单、更有效的氢液化策略。Gutierrez说，使用这种液体作为存储介质的优势在于可以保留现有的能源基础设施，包括管道、卡车、火车和运输船。想烤饼干吗？还是储存氢能？小苏打可能是门票。这种温和、廉价的碳酸氢钠盐无毒且在地球上储量丰富。不完全是小苏打。PNNL团队正在研究长期研究的碳酸氢盐-甲酸盐循环的氢能储存特性。（甲酸盐是一种安全、温和的液态有机分子。）它是这样工作的：甲酸离子（氢和二氧化碳）在水中的溶液携带基于非腐蚀性碱金属甲酸盐的氢。离子在催化剂存在下与水反应。这种反应会产生氢气和碳酸氢盐——奥特雷称赞的“小苏打”，因为它对环境几乎没有影响。对压力进行适当的温和调整后，可以逆转碳酸氢盐-甲酸盐循环。这为可以交替存储或释放氢气的水溶液提供了一个开关。在小苏打出现之前，PNNL储氢团队将乙醇视为液态有机氢载体，这是业界对储存和运输介质的统称。同时，他们开发了一种释放氢气的催化剂。催化剂是专门设计的添加剂，可以以节能的方式加速用于建立和破坏化学键的过程。2023年5月，对于一个与PNNL工作相关的项目，EERE在两年内向华盛顿州里奇兰的OCOchem提供了250万美元的资金，用于开发一种从二氧化碳中制造甲酸盐和甲酸的电化学工艺。该过程会将二氧化碳与位于水的标志性化学键H2O中的氢结合。在刚刚开始的合作伙伴关系中，PNNL将开发从OCOchem产品中释放氢气的方法。在储氢研究领域，碳酸氢盐-甲酸盐循环引起了相当长一段时间的轰动。毕竟，它是以丰富、不易燃、无毒的材料为基础的。Autrey说，这个循环是建立在一种非常温和的水性储存溶液上的，它“看起来像水”。“你可以用它来灭火。”但要使甲酸盐-碳酸氢盐成为一种可行的氢能储存方式，研究人员仍必须开发经济上可行的方案。到目前为止，该技术的氢储存量仅为每立方米20公斤，而液态氢的行业标准为70公斤。Autrey说，更根本的是，研究人员需要对所需的电化学和催化有系统级的了解。在工程学方面，迄今为止，可行的碳酸氢盐-甲酸盐循环的想法技术准备水平较低。从好的方面来说，PNNL正在考虑的盐溶液在与水反应时会释放氢气。它们还在中等温度和低压下运行。至少在理论上，正如Autrey和Gutiérrez在他们2023年的论文中所描述的那样，碳酸氢盐-甲酸盐循环代表了“一种可行的氢能源储存和运输绿色替代方案”。小苏打的想法也是2023年论文所称的“几个紧迫的科学挑战”的核心。其中包括如何从捕获的过量二氧化碳中制造储氢介质。甚至使用相同的介质来存储电子，这为直接甲酸盐燃料电池提供了希望。此外，PNNL的工作可以为水（水）相中的催化提供见解。目前，PNNL团队正在使用钯作为他们的候选催化剂。他们的努力包括寻找使稀有金属更稳定、可重复使用和寿命更长的方法。Autrey说，总而言之，小苏打的想法对于储氢来说“是一种令人惊奇的闪亮事物，令人兴奋的是各种可能性。”...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1365353.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1365353.htm