Как усовершенствовать производство водорода

Исследование конструкции катализаторов, проведенное Университетом штата Орегон, показало, что водород можно получить чисто с гораздо большей эффективностью и с меньшими затратами, чем это возможно с текущими коммерчески доступными катализаторами.

Катализатор — это вещество, которое увеличивает скорость химической реакции без каких-либо постоянных химических изменений.

Полученные данные имеют важное значение, поскольку производство водорода важно для «многих аспектов нашей жизни, таких как топливные элементы для автомобилей и производство многих полезных химикатов, таких как аммиак», — сказал профессор инженерного факультета ОГУ Чжэньсин Фэн (Zhenxing Feng), профессор химической инженерии кто руководил исследованием. «Он также используется при рафинировании металлов, для производства искусственных материалов, таких как пластмассы, и для ряда других целей».

• По словам Фенга, производство водорода путем расщепления воды с помощью электрохимического каталитического процесса является более чистым и экологически безопасным, чем традиционный метод получения водорода из природного газа с помощью процесса образования диоксида углерода, известного как паровой риформинг метана. Но стоимость более экологичных технологий стала препятствием на рынке.
• Новые результаты, описывающие способы разработки катализаторов, которые могут значительно повысить эффективность процесса производства чистого водорода, были опубликованы в журналах Science Advances и JACS Au.
• По словам Фэна, катализаторы часто претерпевают структурные изменения, способствуя реакционным процессам.

Иногда изменения обратимы, иногда необратимы, и считается, что необратимая реструктуризация ухудшает стабильность катализатора, что приводит к потере каталитической активности, что снижает эффективность реакции.

Фэн, к.э.н. ОГУ. студент Маою Ван и его сотрудники изучали реструктуризацию катализаторов в реакции, а затем манипулировали структурой и составом их поверхности в атомном масштабе для достижения высокоэффективного каталитического процесса производства водорода.

Эффективность катализатора

Активная фаза катализатора на основе аморфного гидроксида иридия показала эффективность в 150 раз больше, чем его первоначальная структура перовскита, и почти на три порядка лучше, чем обычный коммерческий катализатор, оксид иридия.

«Мы обнаружили по крайней мере две группы материалов, которые претерпевают необратимые изменения, которые оказались значительно лучшими катализаторами для производства водорода», — сказал Фенг. «Это может помочь нам производить водород по цене 2 доллара за килограмм и, в конечном итоге, 1 доллар за килограмм. Это дешевле, чем процесс загрязнения окружающей среды в нынешних отраслях промышленности, и поможет достичь цели Соединенных Штатов по нулевым выбросам к 2030 году».

Фэн отмечает, что Управление технологий водородных и топливных элементов Министерства энергетики США установило контрольные показатели технологий, которые могут производить чистый водород по цене 2 доллара за килограмм к 2025 году и 1 доллар за килограмм к 2030 году в рамках цели Hydrogen Energy Earthshot по сокращению затрат на чистую воду. водорода на 80%, с 5 до 1 доллара за килограмм за одно десятилетие.

Технология электролиза воды

Технология электролиза воды для производства чистого водорода, на которой сосредоточена группа Фэна, использует электричество из возобновляемых источников для разделения воды на производство чистого водорода. Однако эффективность расщепления воды, по его словам, невысока, в основном из-за высокого перенапряжения — разницы между фактическим потенциалом и теоретическим потенциалом электрохимической реакции — одной ключевой полуреакции в процессе, реакции выделения кислорода или ООР.

«Катализаторы имеют решающее значение для ускорения реакции расщепления воды за счет снижения перенапряжения и, таким образом, снижения общих затрат на производство водорода», — сказал Фенг. «Наше первое исследование в JACS Au заложило основу для нас, и, как показано в нашей статье в Science Advances, теперь мы можем лучше манипулировать атомами на поверхности для создания катализаторов с желаемой структурой и составом».

Национальный научный фонд поддержал исследования Фэна через Северо-западную инфраструктуру нанотехнологий в ОГУ, и Министерство энергетики также предоставило финансирование.

С Фэном и Вангом сотрудничали исследователи из Аргоннской национальной лаборатории, Техасского университета, Пекинского университета, Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории, Северо-Западного университета , Южно-Китайского технологического университета, Кембриджского университета, Калифорнийского университета в Беркли и сингапурской компании Nanyang Technological. Университет.

Источник

Метки: Катализаторы