科學家發現新型水分解催化劑,低價高效

氫能是地球上最潔淨的能源之一。如果人類能夠通過分解水輕易地獲取氫氣,就不必擔心化石能源短缺的問題。不過,這個技術理論上雖然很簡單,但實際上水分解的過程卻非常複雜,催化反應過程常需要貴金屬參與。

最近,美國休斯頓大學(Houston University)的物理學家發現了一種新的催化劑,只需使用地球上常見的鐵和鎳兩種金屬製造,不僅降低製造成本,分解效率也更高,並且催化劑持久性更強。

電解水

水的分解包含兩個不同的過程:析氫反應(a hydrogen evolution reaction)和析氧反應(an oxygen evolution reaction)。雖然氫氣是目標產物,但如果不產生氧氣,氫氣也無法產生。

高效的氫氣催化劑已研製成功,但一直沒有找到低廉高效的氧催化劑,限制著這一領域的發展。

目前,析氧反應常常依賴於貴金屬催化劑,如銥(iridium)、鉑(platinum)或釕(ruthenium),都非常昂貴,不易獲取。

新型水分解催化劑

休斯頓大學德克薩斯超導中心的首席科學家 Paul C. W. Chu、研究負責人 Zhifeng Ren 和 Shuo Chen 共同在《美國科學院院刊》上發表了他們的發現。

這種新型催化劑是偏磷酸亞鐵(ferrous metaphosphate),長在具有傳導性的鎳泡沫平台(nickel foam platform)上。

論文的主要作者、物理教授 Zhifeng Ren 評價道,從造價上說,新催化劑更低廉,從表現上看,新催化劑性能更佳。測試中,可以持續使用 20 多個小時,參與一萬多次反應。

Ren 說,有的催化劑功能出色,但只能持續使用一兩個小時,實際用途不大。

氫燃料載客火車
這發現有望能帶動氫燃料運輸的發展(圖:Alstom)

潔淨的氫燃料

研究人員在論文中闡述了氫氣作為燃料的優點。通過電解水得到的氫氣,是一種潔淨、可持續的能源,可以代替化石燃料,滿足全球日益增長的能量需求。而且,無論是生產源頭還是消耗產物,都是水,整個過程潔淨環保。

與其他如太陽能、風能等潔淨能源相比,氫氣的貯存更加容易。

當前,大多數氫氣都是通過蒸氣甲烷轉化或煤的氣化獲得,但製備過程會提高燃料的碳足跡。

Shuo Chen 認為,這項研究成果或許會帶來一種更加經濟可行的方法,通過電解水獲取氫氣。

 

參考資料:

  1. Zhou, H., Yu, F., Sun, J., He, R., Chen, S., Chu, C., Ren, Z. (2017). Highly active catalyst derived from a 3D foam of Fe(PO 3 ) 2 /Ni 2 P for extremely efficient water oxidation. Proceedings of the National Academy of Sciences, 201701562.
舒超
實習編輯,科大生命科學學院研究生,目前努力畢業中。做實驗之餘,喜歡讀書寫字,學習語言。鐘情中國古典文學。希望有朝一日走遍天下,增廣見聞。