更清潔、更廉價(jià)的制氫有助于為不排放有害化學(xué)物質(zhì)的氫燃料汽車鋪平道路。（圖片由Shutterstock/Literator提供。）
氫燃料汽車或成為邁向更加清潔地球的重要一步。氫除了水蒸氣外，不會散發(fā)任何化學(xué)物質(zhì)，有助于減少有害的二氧化碳和空氣污染水平。盡管氫是地球上最豐富的元素之一，但目前從非化石資源中提取它的成本很高。
氫通常是通過一種被稱為天然氣甲烷蒸汽轉(zhuǎn)換的過程中提取，但通過電化學(xué)方法分離水更加清潔、更可持續(xù)。該過程使用催化劑，可以加快化學(xué)反應(yīng)的速度，而其本身不會發(fā)生任何永久性的化學(xué)變化。然而，綠色技術(shù)成本一直是市場上的一個障礙。
目前，俄勒岡州立大學(xué)（OSU）帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)展示了，與目前商業(yè)上可用的催化劑相比，氫可以以更低的成本且更高的效率清潔地生產(chǎn)。這些新的發(fā)現(xiàn)論文發(fā)表在《Science Advances》和《JACS Au》上，文章闡述了是如何設(shè)計(jì)能夠大大提高清潔制氫過程效率的催化劑。
該研究團(tuán)隊(duì)通過先進(jìn)光子源（APS）和美國能源部(DOE)的阿貢國家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)部的資源，檢測和確認(rèn)他們的新發(fā)現(xiàn)。
根據(jù)OSU化學(xué)工程教授Zhenzing Feng研究中發(fā)現(xiàn)，在促進(jìn)反應(yīng)過程中，催化劑經(jīng)常會發(fā)生結(jié)構(gòu)改變。有時改變是可逆的，有時是不可逆的，不可逆的結(jié)構(gòu)重組被認(rèn)為降低了催化劑影響化學(xué)反應(yīng)的能力。
Zhenzing Feng教授、OSU博士生Maoyu Wang與合作者共同研究了反應(yīng)中催化劑的結(jié)構(gòu)，然后在原子尺度上操作其表面結(jié)構(gòu)和組成，以實(shí)現(xiàn)高效的制氫催化過程。新催化劑基于不規(guī)則氫氧化銥，這種催化劑的效率比采用的原始結(jié)構(gòu)高出150倍，比常見的商業(yè)催化劑氧化銥好近三個數(shù)量級（相當(dāng)于1000倍）。
Feng說：“我們發(fā)現(xiàn)至少有兩組材料要經(jīng)歷不可逆轉(zhuǎn)的改變，結(jié)果證明，這兩組材料是更好的制氫催化劑。這可以幫助我們以每公斤2美元的價(jià)格制氫，最終降至每公斤1美元。”
美國能源部（DOE）發(fā)起了“Energy Earthshots”倡議，加速實(shí)現(xiàn)更豐富、價(jià)格更合適和更可靠的清潔能源解決方案的突破，設(shè)定了一個在十年內(nèi)將清潔氫氣的成本降低80%，價(jià)格在每公斤1美元的目標(biāo)（“111”）。2021年11月簽署的基礎(chǔ)設(shè)施法案授權(quán)了一項(xiàng)耗資80億美元的計(jì)劃，以支持至少4個區(qū)域的清潔氫氣樞紐的發(fā)展，建立氫氣生產(chǎn)商、儲存商、運(yùn)輸者以及運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)。
Feng和他的研究團(tuán)隊(duì)通過先進(jìn)光子源使用幾種X射線技術(shù)來認(rèn)證他們的發(fā)現(xiàn)。這項(xiàng)工作是在光束線9-BM和4-ID-C上完成的，研究團(tuán)隊(duì)能夠觀察電化學(xué)過程的發(fā)生，從而實(shí)時獲得催化劑改變的信息。
阿貢物理專家兼《Science Advances》論文合著者John Freeland解釋：“作為良好催化劑的材料通常是不穩(wěn)定的。當(dāng)材料被激活時，很難判斷這種材料是否能成為好的催化劑，是否能得到預(yù)期的結(jié)果，或者是否在釋放氫氣的過程中被消耗。如果被消耗了，就不存在剩下的催化劑了。”
這就是先進(jìn)光子源的作用?？茖W(xué)家們可以通過超亮X射線來獲得極小尺度上的化學(xué)與結(jié)構(gòu)信息，不僅可以看到材料發(fā)生反應(yīng)時的內(nèi)部情況，還可以觀察到材料表面的狀況，觀察是否被侵蝕或轉(zhuǎn)化。
阿貢物理學(xué)家兼《Science Advances》論文合著者George Sterbinsky表示：“X射線吸收光譜學(xué)使我們能夠觀察到原子結(jié)構(gòu)，并且能看到如何改變的。X射線吸收光譜學(xué)為我們提供化學(xué)和結(jié)構(gòu)信息，以便于我們了解催化過程。”
全面了解是非常重要的，因?yàn)榇呋瘎┲谐Ｓ玫牟牧希ɡ?，銥）通常是非常昂貴的。Freeland說，先進(jìn)光子源多年來一直用于催化劑，可以為研究團(tuán)隊(duì)提供經(jīng)驗(yàn)，確保他們的實(shí)驗(yàn)成功。
他說：“做好這件事并非易事?；蛟S會在許多方面做錯，我們可以幫助研究人員獲取他們想要的數(shù)據(jù)。”
先進(jìn)光子源正在進(jìn)行大規(guī)模升級，將X射線的亮度提高500倍，F(xiàn)reeland指出一旦升級后的設(shè)施上線，催化劑研究將會變得更好。更亮的X射線將使研究人員能夠?qū)⑦@些實(shí)驗(yàn)擴(kuò)大到更小的范圍，使用微觀催化劑樣品，并從中獲得更好的結(jié)構(gòu)和化學(xué)信息。
Feng的研究團(tuán)隊(duì)專注于清潔制氫的水電解技術(shù)，該技術(shù)通過可再生能源的電能分離水來制造清潔氫氣。然而，F(xiàn)eng說，水分解的效率很低，主要是由于該過程的一個關(guān)鍵部分的高過電位，電化學(xué)反應(yīng)在實(shí)際電位和理論電位之間的差異。
Feng說：“催化劑對于通過降低過電位來促進(jìn)水分解反應(yīng)至關(guān)重要，因此降低了制氫的成本。我們在《JACS Au》第一個發(fā)表的研究論文為我們奠定了基礎(chǔ)，正如我們在《Science Advances》的文章中展示出的一樣，我們現(xiàn)在可以更好地操縱表面上的原子來設(shè)計(jì)具有所需結(jié)構(gòu)和組成的催化劑。”
這些研究論文的共同作者包括來自得克薩斯大學(xué)（University of Texas）、北京大學(xué)（Peking University）、美國太平洋西北國家實(shí)驗(yàn)室（Pacific Northwest National Laboratory）、美國西北大學(xué)（Northwestern University）、華南理工大學(xué)（South China University of Technology）、劍橋大學(xué)（the University of Cambridge）、加利福尼亞大學(xué)（the University of California）、伯克利大學(xué)（Berkeley）和新加坡南洋理工大學(xué)（Singapore’s Nanyang Technological University）的科學(xué)家們。
中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會 楊柳翻譯
2022.4.15