酝酿数十年：新催化剂将可使氢气燃料电池变得经济实惠

酝酿数十年：新催化剂将可使氢气燃料电池变得经济实惠几十年来，生态友好燃料的商业化一直因铂金的高成本而停滞不前，但一项研究表明，低成本的催化剂可能是一种可行的替代品。多年来，研究人员一直在寻找一种能大大降低生产氢气燃料电池价格的催化剂。这样的突破可以带来一场绿色能源革命，笔记本电脑和火车都可以使用只产生水作为副产品的燃料。资料图根据水牛城大学(UB)最近的研究结果，研究人员可能越来越接近于实现这一目标。目前，美国能源部(DOE)已经将效率、耐久性和可负担性确定为燃料电池研究的三个主要目标。在最近发表在《NatureEnergy》上的一项研究中，科学家们解释了铁是如何跟氮和碳结合在一以产生一种满足所有三个标准的催化剂。该研究的论文第一作者、UB工程和应用科学学院化学和生物工程教授GangWu说道：“这已经酝酿了多年。我们相信这是一个重大的突破，进而最终将有助于释放氢燃料电池的巨大潜力。”燃料电池的前景根据美DOE的说法，燃料电池的操作跟电池类似但不会失去动力或需要充电。只要提供燃料如氢气，它们就会产生热量和动力。由于它们跟内燃机相比产生较少或没有排放，所以它们长期以来一直吸引着科学家、环保主义者和其他人。此外，它们还有广泛的用途，包括为建筑物、发电厂、汽车和其他系统供电。然而燃料电池缺乏广泛的商业化，除其他外，是由于加速关键燃料电池过程所需的昂贵催化剂的高成本。一组被称为铂族金属的六种贵金属已被证明是最有效的催化剂。虽然这些金属是高效和持久的，但由于其稀缺性，它们的成本非常高。因此，研究人员正在寻找成本更低的选择。克服障碍铁基催化剂就是这样一种选择。铁非常有吸引力，因为它很丰且价格低廉。但它的性能不如铂金，特别是因为它缺乏耐久性从而无法承受燃料电池内的高度腐蚀性和氧化性环境。为了克服这一障碍，研究小组将四个氮原子跟铁结合起来。研究人员随后将该材料嵌入几层石墨烯中以对局部几何和化学结构进行精确的原子控制。由此产生的结构是一个大大改善的催化剂。按照研究小组的说法，这种催化剂被认为是迄今为止生产的最有效的铁基催化剂--超美国能源部2025年的电流密度目标；另外，它还实现了接近铂族催化剂的耐久性等级。Wu表示，所有这些都表明，铁基催化剂有可能使燃料电池，尤其是氢燃料电池，在商业用途上更加实惠。现在，研究人员正在计划进行后续研究以进一步改进该催化剂。PC版：https://www.cnbeta.com/articles/soft/1301589.htm手机版：https://m.cnbeta.com/view/1301589.htm

革命性的光催化剂有望让氨成为一种清洁燃料

革命性的光催化剂有望让氨成为一种清洁燃料氢气是一种非常有前途的清洁燃料，可以燃烧，或通过燃料电池直接转化为电能。然而，它既昂贵又难以处理，因为它是一种超轻的气体，需要压缩到700个大气压，或者在绝对零度以内低温冷却以达到其液体状态。氨是著名的比氢气本身更好的氢气载体；它的每个氮原子都与三个氢原子结合，虽然它具有腐蚀性，在高浓度下极其危险，但它在大气温度和压力下又是一种稳定的液体，它在许多行业的广泛使用意味着人们在各种条件下有大量的安全处理经验。如前所述，氨携带氢气的能力非常强，但如果你想使用这些氢气，则需要"破解"它，把氢气弄出来，再把无害的氮气释放回大气中。这有两个主要难点：首先，裂解反应是需要耗费能源的，所以大多数氨裂解是在大型设施中进行的，操作温度至少为650-1000℃（1200-1800°F）。其次，裂解操作所需的热催化剂通常是铂族金属，如钌--相对稀有和昂贵。随着绿色氢气运动作为向清洁能源过渡的一个关键支柱而不断升温，你可以看到为什么莱斯大学的团队对发现一种紧凑和高效的方式来催化室温下的这种裂解反应感到兴奋，因为它只使用铜和铁。该团队的"天线-反应器"光催化剂通过嵌入"反应器"催化剂中的小型"天线"粒子收集光线，从而为其提供催化各种化学反应所需的能量这个团队花费了30多年开发了其"天线-反应器"质子光催化剂。这些是催化剂的纳米颗粒，点缀着小块的"天线"材料，旨在增加催化剂吸收光线的能力。经过适当的调整，这些反应粒子从环境光中吸收能量--无论是太阳光，还是来自低能量LED的光--并踢出短命的"热电子"，其能量足以启动有效的化学反应，即使在环境温度下也是如此。天线-反应器光催化剂可以被设计用于各种反应。例如，我们几周前写过的光能硫化氢转化为氢气的催化剂，其背后是同一个团队，基本上也是同一个基本想法。那个催化剂使用二氧化硅作为"反应器"，用微小的金颗粒作为"天线"从光中吸收能量。这种氨裂解光催化剂使用铁作为其反应器，铜作为其光收集天线--这两种金属都很便宜和丰富，与今天使用的典型铜钌热催化剂不同。据莱斯大学校友和研究报告的共同作者HosseinRobatjazi称，在实验室测试中，"在照明下，铜-铁显示出与铜-钌相似的效率和反应性，并可与之相媲美"。在最初的实验室测试中使用的小型激光动力电池（左）与Syzygy的更大的激光动力测试设备SyzygyPlasmonics的对比最初的测试是在一个很小的实验装置中使用激光器提供的光进行的。但是研究报告的合著者NaomiHalas也是SyzygyPlasmonics公司的联合创始人，这是一家资金雄厚的公司，旨在将莱斯团队的工作商业化，Syzygy公司能够授权这种特殊的催化剂，并建立一个大约500倍大的测试设备，使用高效的LED照明代替激光。催化剂仍然是一样的高效。团队发表的科学文献中的第一份报告表明用LED的光催化作用可以从氨中生产出克级数量的氢气。这为在等离子体光催化中完全取代贵金属打开了大门，这个过程也会在不需要热量的情况下进行，所以也会节省能源和减少排放。也许最重要的是，这看起来将带来一台小型、可靠、轻量级和冷却的氨裂解装置，而不是在数百度的高温下运行。它不需要建造大型设施来运作。Syzygy说，其最初的Rigel光催化反应器产品大约有一台小型洗衣机那么大，每天处理大约一吨，这取决于它所运行的具体反应。这些反应器可以堆叠起来；如果需要更大的产量，可以同时运行一堆反应器。Syzygy的Rigel光催化反应器与洗衣机差不多大小（右）也许可以在一艘电动货船上安装一组这样的反应器，在需要的地方将容易储存的氨气转化为容易使用的氢气。这本身可能是绝对革命性的，从根本上提高了清洁货运和客运的范围。也许这个概念可能被证明足够小和轻，与航空业有关，在航空业，储存在氨中的氢气的能量密度可以开辟出化石燃料无法达到的航线。也许它最终会小到足以塞进你可以在加油站加满氨气的电动汽车。而这只是这种特殊的光催化剂；莱斯和Syzygy团队当然不会就此罢休。事实上，该公司的目标是在任何可能的地方让热催化剂失去工作。"鉴于其大幅减少化工行业碳排放的潜力，质子天线-反应器光催化剂值得进一步研究，"另一位合著者EmilyCarter补充说。"这些结果是一个很大的动力。他们表明，其他丰富的金属组合有可能被用作广泛的化学反应的成本效益催化剂"。一个早期的钯/铝催化剂的细节显示。彩色的电子光谱图显示了"钯岛周围单个质子模式的空间分布。这些质子模式负责捕捉光能并将其转移到催化剂颗粒上。"莱斯大学"催化是化学工业的基础，"另一位合著者和Syzygy公司联合创始人彼得-诺德兰德（PeterNordlander）说，"它是所有社会中最耗能的部分之一。这项工作表明，基于LED的化学实际上是可行的，而且是可以大规模进行的。它可以为工业规模的化学和工业上重要的反应做出贡献。"Syzygy表示，它已经在现场试验中得到了这种反应，并预计在2023年将这些光催化氨裂解反应器投入商业使用。这是一些非常激动人心的技术，在一系列行业中具有巨大的潜力，并为脱碳做出贡献。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1333929.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1333929.htm

科学家运用咖啡显著提高燃料电池的效率

科学家运用咖啡显著提高燃料电池的效率在全球努力摒弃化石燃料的过程中，燃料电池成为一种无碳排放的显著能源。这些电池由阳极和阴极组成，并由电解质隔开，直接将燃料的化学能转化为电能。燃料被送入阳极，氧化剂（通常是空气中的氧气）被送入阴极。在氢燃料电池中，氢在阳极发生氧化，产生氢离子和电子。离子通过电解质移动到阴极，电子则流经外部电路，产生电能。在阴极，氧气与氢离子和电子结合，产生水作为唯一的副产品。然而，水的存在会影响燃料电池的性能。它与铂（Pt）催化剂发生反应，在电极上形成一层氢氧化铂（PtOH），阻碍了氧还原反应（ORR）的有效催化，导致能量损失。为了保持高效运行，燃料电池需要较高的铂负载，这大大增加了燃料电池的成本。但新的研究发现，咖啡因通过提高氧还原反应的活性可以改善燃料电池的性能。咖啡因在定义明确的铂单晶电极上的吸附结构，以及咖啡因改性前（蓝色条）和改性后（橙色条）燃料电池空气电极的活性。资料来源：千叶大学教授NagahiroHoshi在最近发表于《通讯化学》（CommunicationsChemistry）杂志上的一项研究中，NagahiroHoshi教授与日本千叶大学工程研究生院的MasashiNakamura、RyutaKubo和RuiSuzuki发现，在某些铂电极中添加咖啡因可以提高ORR的活性。这一发现有可能减少对铂的需求，使燃料电池更经济、更高效。Hoshi教授说："咖啡因是咖啡中含有的化学物质之一，在原子排列呈六角形结构的定义明确的铂电极上，它能将燃料电池反应的活性提高11倍。"咖啡因对铂电极的影响为了评估咖啡因对ORR的影响，研究人员测量了通过浸入含有咖啡因的电解质中的铂电极的电流。这些铂电极的表面原子按特定方向排列，即(111)、(110)和(100)。随着电解液中咖啡因浓度的增加，电极的ORR活性明显提高。咖啡因存在时会吸附在电极表面，有效阻止氢吸附和氧化铂在电极上的形成。然而，咖啡因的作用取决于电极表面铂原子的取向。当咖啡因摩尔浓度为1×10-6时，Pt(111)和Pt(110)上的ORR活性分别增加了11倍和2.5倍，而对Pt(100)没有明显影响。为了理解这种差异，研究人员使用红外反射吸收光谱法研究了咖啡因在电极表面的分子取向。他们发现，咖啡因在铂(111)和铂(110)表面被吸收时，其分子平面垂直于表面。然而，在铂(100)表面，立体阻碍导致咖啡因的分子平面相对于电极表面倾斜。"Pt(111)和Pt(110)的ORR活性提高是由于PtOH覆盖率降低和吸附的咖啡因的立体阻碍降低。相反，对于Pt(100)，PtOH减少的效果被吸附的咖啡因的立体阻碍抵消，因此咖啡因不会影响ORR活性，"Hoshi教授解释说。与寿命有限的电池不同，燃料电池只要提供燃料就能发电，因此适用于各种应用，包括车辆、建筑物和太空任务。所提出的方法有望改进燃料电池的设计，并使其得到广泛应用。编译自/scitechdaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1423920.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1423920.htm

纳米线创新：科学家以更高的耐用性革新燃料电池

纳米线创新：科学家以更高的耐用性革新燃料电池电极中垂直排列的同轴纳米线，质子在纳米线内部的离子芯中传输。铂纳米薄膜外壳中传输的电子与氧气结合，完成燃料电池阴极反应。来源：LANL与其他设计相比，这种创新电极由不易腐蚀的纳米线组成，是聚合物电解质膜燃料电池的核心，它可以让燃料电池使用氢气作为汽车的无排放动力。洛斯阿拉莫斯国家实验室团队的科学家雅各布-斯本德洛（JacobSpendelow）在《先进材料》（AdvancedMaterials）杂志上介绍了他们的研究成果。"这项工作表明，我们可以摆脱传统的碳基催化剂载体，消除与碳腐蚀相关的降解问题，同时还能实现较高的燃料电池性能"。耐久性的增强使这种燃料电池有望应用于重型卡车，在这种应用中，燃料电池的寿命必须超过25000小时。同轴纳米线电极（CANE）由垂直排列的纳米线阵列组成，其中每根纳米线都由催化活性铂膜构成，铂膜围绕着离子传导聚合物芯。通过避免使用碳基催化剂支架，CANE消除了与碳腐蚀相关的常见降解机制。为了评估新型燃料电池的耐用性，洛斯阿拉莫斯国家实验室的团队进行了加速应力测试。值得注意的是，在针对支持材料进行了5000次应力测试循环后，CANE的性能损失仅为2%。相比之下，传统的碳基电极性能则下降了惊人的87%。同轴纳米线方法是洛斯阿拉莫斯国家实验室开发的几种新型燃料电池设计之一。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1380263.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1380263.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

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