該電解技術(shù)基于質(zhì)子交換膜(PEM)，具備利用可再生能源大規(guī)模生產(chǎn)氫氣的潛力。由于用于提升化學(xué)反應(yīng)效率的鉑和銥等金屬催化劑成本太高，在一定程度上限制了氫氣的大規(guī)模生產(chǎn)。

領(lǐng)導(dǎo)該研究小組的Thomas Jaramillo表示：“氫氣是一種非常重要的工業(yè)化學(xué)物質(zhì)，可以用來生產(chǎn)燃料和肥料等。氫氣也是一種清潔、高能量的分子，可用于燃料電池或者用于存儲(chǔ)由太陽能和風(fēng)能等多變能源產(chǎn)生的能量。而且可以用于汽車行業(yè)，有利于減少溫室氣體的排放。不過，現(xiàn)在大部分氫氣都由化石燃料制造出來，增加了大氣中的二氧化碳水平，因而我們需要找到一種具成本效益的方法，用清潔能源產(chǎn)氫。”

從昂貴的金屬到便宜而豐富的材料

多年來，人們一直致力于為PEM水電解制氫系統(tǒng)研發(fā)貴金屬催化劑的替代品。而且很多替代品被證明可以在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中工作。不過，據(jù)說此次研究人員研發(fā)的催化劑是首次在商業(yè)電解槽中展示出高性能。該設(shè)備由位于康涅狄格州的PEM電解研究基地和工廠生產(chǎn)，為全球最古老、最大的電解設(shè)備制造商N(yùn)el Hydrogen所用。

電解的工作原理與電池的反向作用很像，即不是產(chǎn)生電，而是利用電流將水分解成氫氣和氧氣。采用不同的貴金屬催化劑，可以在不同電解質(zhì)上發(fā)生產(chǎn)生氫氣和氧氣的反應(yīng)。在此原理下，SLAC和斯坦福大學(xué)科學(xué)家制造了一種由沉積在碳上的磷化鈷納米顆粒組成的催化劑，該催化劑是一種黑色粉末。然后Nel Hydrogen小組利用該催化劑替代了產(chǎn)氫那側(cè)電解質(zhì)上的鉑催化劑。與其他催化劑一樣，此種催化劑可以將其他化學(xué)物質(zhì)聚集在一起，并促進(jìn)它們發(fā)生反應(yīng)。

該磷化鈷催化劑在整個(gè)測(cè)試過程中(超過1700小時(shí))都表現(xiàn)得非常好，表明其可以用于日常化學(xué)反應(yīng)，即能夠在溫度、壓力和電流密度升高的極酸性條件下，長(zhǎng)時(shí)間地工作。

該項(xiàng)研究的一個(gè)最重要目標(biāo)就是實(shí)現(xiàn)該磷化鈷催化劑的量產(chǎn)，同時(shí)保證其品質(zhì)如一，即從實(shí)驗(yàn)合成的起始材料、用研缽和研杵磨制、讓其進(jìn)入烘烤爐烤制、最后將精細(xì)的黑色粉末變成一滴墨水，噴到多孔碳紙上，這整個(gè)過程都需要保證其質(zhì)量穩(wěn)定。最終獲得的大尺寸電極會(huì)被裝入電解槽中進(jìn)行制氫試驗(yàn)。

雖然鉑催化劑只占PEM水電解制氫總成本的8%，但是貴金屬市場(chǎng)的波動(dòng)非常劇烈，可能會(huì)阻礙該技術(shù)的發(fā)展。而隨著PEM水電解制氫技術(shù)不斷改進(jìn)，以滿足燃料電池和其他應(yīng)用對(duì)氫氣日益增長(zhǎng)的需求，降低和穩(wěn)定其成本將變得越來越重要。(文中圖片均來自SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室)