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重组"CP"让绿色氢能生产廉价高效

总有一天,人们可以将水电解的氢和氧用作燃料,并使之成为供暖和照明的无限能源……

这一种出现在一个多世纪前的科幻小说中的“未来燃料”,如今已经触手可及,成为现实。

氢能源汽车、氢燃料电池……越来越多的氢能源高科技产品进入了公众视野。如何才能获得这种高效又环保的能源,一直是众多科研工作者努力探索的问题。

近日,扬州大学物理科学与技术学院教授许小勇团队开创性地提出了一种通过二维过渡金属碳化物介导重构,保持电解水制氢催化剂活性持久稳定的新方法。

在此基础上,团队成功研发了一种高性能的镍铁氢氧化物催化剂,实现了绿色氢能制造工艺的“廉价高效”,为实现环境和能源的可持续发展提供了一种潜在的解决方案。相关研究成果发表于美国《国家科学院院刊》。

“氢”风袭来:降本增效成关键

随着社会的不断进步和科技的飞速发展,人类所依赖的化石燃料正被过度消耗,导致的能源危机和环境污染问题日益凸显。发展清洁能源,提升能源含“绿”量,成为当务之急。

氢能是一种清洁低碳、灵活高效的能源,对于促进全球经济脱碳有着不可或缺的替代作用,被认为是21世纪最具发展潜力的一种二次清洁能源。

根据氢气制取过程的碳排放强度,氢气被分为“灰氢”“蓝氢”和“绿氢”三类。许小勇告诉《中国科学报》:“目前,市面上超过98%的氢气来源于化石燃料,即所谓灰氢。灰氢虽然价格相对较低,每公斤的成本大约在9至14元之间,但其生产过程往往伴随大量的二氧化碳排放,这与我们追求的‘双碳’目标背道而驰。”

与此同时,利用可再生能源进行电化学水分解制氢(即绿氢),虽然无须担忧碳排放问题,但在当前工业化生产中仍面临着能耗高、效率低的挑战,严重限制了其规模化应用的前景。

许小勇进一步分析了造成这一困局的根源:水分子以其卓越的稳定性著称,必须在充沛的电能输入和高效催化剂的共同作用下,方能实现断键,进而分离出氢分子。“若我们仅仅着眼于提升电流密度,而忽视催化剂活性的改进,不仅会增加电能消耗,还可能事倍功半。”他表示。

目前,市场上广泛应用的催化剂主要是贵金属催化剂,尽管它们表现出卓越的稳定性,但高昂的成本和相对较低的商业化程度限制了其广泛应用。数据显示,电解水制取一公斤氢气的成本大约在32~35元之间,大大超过了通过化石能源制取氢气的成本。

在此背景之下,绿色氢能经济要想实现工业化、普及化及商业化,必须攻克催化剂“降本增效”这一重大难题。

重组“CP”:廉价催化剂的重构

长期以来,许小勇团队一直致力于电解水制氢“廉价高效”催化剂的研究。

团队研究发现,镍铁氢氧化物催化剂在电解过程中展现出了卓越的“领跑”能力。其优势在于,不仅能够显著降低电解过程中的能量损耗,提高电解效率,还具备成本低和资源储备丰富等显著优势。这使得其成为贵金属催化剂的理想替代品。

“但在持续电解水的过程中,这种催化剂会发生铁元素泄漏,并且活性随之下降。”许小勇指出,这也是制约其在电解水制氢中广泛应用的难题。

为攻克这一难题,研究团队独具匠心地设计了一种解决方案,即通过二维过渡金属碳化物介导重构的方法,精确调控铁位点在催化剂结构中的配位状态,从而确保催化活性的持久稳定。

“在重构过程中,原本催化剂中的‘铁-碳氮-镍’配位发生了改变,在电解水反应过程中,铁元素流失到电解液中,二维过渡金属碳化物将流失到电解液中的部分铁元素重新绑定,形成新的‘铁-氧’配位。”论文第一作者、扬州大学物理科学与技术学院硕士研究生虞倩形象地比喻,“好比在一个舞会上,舞者换了新的舞伴后重组了‘CP(配对)’。”

“此外,将二维过渡金属碳化物作为介导物也是保证重构试验成功的关键因素。”团队成员之一、扬州大学物理科学与技术学院博士生李成表示。

据悉,团队在前期投入了大量时间和精力,对各种材料进行深入研究。他们惊喜地发现,二维过渡金属碳化物的表面携带电负性基团,它为锚定催化剂中的铁位点提供了极为有利的条件。此外,该材料还具有出色的导电性和亲水性,无疑成为了试验材料的首选。

“在重构配位后,催化剂在电解水制氢过程中起到了加快反应速率的作用,同时还能为自身的铁位点筑起一道坚实的防护屏障,抵御氧化的侵袭,从而提高整个电解水过程的效率和稳定性。”李成表示。

持续探索:对接产业需求

“在实际的工业环境下,为了实现高效生产,水电解过程通常需要在大电流密度(>500毫安/平方厘米)的条件下进行。”许小勇强调,这一要求使得传统操作方式无法满足水电解制氢工业化发展的需求。

据悉,传统的镍铁氢氧化物催化剂在进行电解水制氢时,随着电流量的增加,其活性会逐渐降低。这一现象在大电流密度的条件下表现得尤为显著。

不过,在团队的最新试验中,通过二维过渡金属碳化物介导重构得到的镍铁基催化剂在电流密度大幅提升至1000毫安/平方厘米时,依然能展现出卓越的催化性能。

“据我们所知,目前在超过500毫安/平方厘米的工业级电流密度下,关于镍铁氢氧化物催化剂的耐久性几乎鲜有报道。”许小勇说,“这意味着,我们的研究成果为水电解制氢工业的大规模发展提供了依据和可能。”

“未来,团队将对接产业需求,加大力度投入制氢装备的自主研发,持续开展可再生能源制氢等关键技术攻关,实现技术升级,力争为领跑‘零碳时代’贡献更大力量。”许小勇表示。

相关论文信息:

https://doi.org/10.1073/pnas.2319894121

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