美国深入了解电化学催化工艺 有助于实现水分解高效大规模制氢

新能源汽车讯 据外媒报道，美国俄勒冈州立大学工程学院（Oregon State University College of Engineering）的研究人员与康纳尔大学Cornell University以及美国阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory）的研究人员合作，将让利用水高效大规模制氢即将成为现实。

了解铱酸锶催化剂活性高的原因（图片来源：俄勒冈州立大学）

科学家们利用先进的实验工具，对电化学催化工艺有了更清晰的认识，而该工艺比利用天然气制氢更清洁、更具有可持续性。氢存在于各种各样的化合物中，最常见的就是其与氧气结合制成水，而且其在科学、工业和能源相关的领域也发挥作用。此外，氢也以碳氢化合物的形式存在，如天然气的主要成分甲烷就由氢和碳构成。

领导该项研究的化学工程教授Zhenxing Feng表示：“生产氢对于我们生活的很多方面都很重要，例如汽车燃料电池，制作氨等很多有用的化学物质。此外，还可用于精炼金属，生产塑料等人造材料以及用于各种用途。”

根据美国能源部所说，美国主要利用一种蒸汽-甲烷重整技术从天然气等甲烷中提取氢气。该工艺包括将甲烷置于有催化剂的加压蒸汽中，制造一种能够产生氢气、一氧化碳以及少量二氧化碳的反应。

下一步是水-气转化反应，其中一氧化碳和蒸汽会通过不同的催化剂反应，制造二氧化碳以及额外的氢气。最后一步，利用变压吸附法将二氧化碳和其他杂质移除，只留下纯氢。

Feng教授表示：“与天然气重整技术相比，利用可再生能源发电分解水制氢的方式更清洁、更具可持续性。不过，因为该工艺中有一个关键的半反应析氧反应（OER）的高过电位（电化学反应中的真实电位与理论电位之间的差距），导致分解水的效率很低。”

半反应是氧化还原反应中两个反应中的一部分，其中电子在两个反应物之间转移，还原指代获得电子，氧化意味着失去电子。半反应的概念通常被用于描述电化学电池中发生的事情，而半反应通常被用于平衡氧化还原反应。过电位是理论电压和电解反应产生所需的真实电压之间的差值，其中电解是由电流驱动的化学反应。

Feng教授表示：“电催化剂是通过降低过电位改进水分解反应的关键，但是研发高性能的电催化剂绝非易事。主要障碍之一是缺乏关于电化学操作过程中电催化剂结构如何演变的信息，了解OER反应期间电化学催化剂结构的化学演变过程，对于研发高质量的电催化剂材料，进而实现能源的可持续性至关重要。”

Feng教授与合作伙伴利用一套先进的表征工具研究最新OER电催化剂铱酸锶（(SrIrO3）在酸性电解质中的原子结构演变情况。

Feng教授表示：“我们想要了解在OER反应中，铱酸锶的活性高于普通商用催化剂1000倍的原因。利用阿贡国家实验室的同步加速器X射线设备和俄亥俄州立大学西北纳米技术基础设施实验室的X射线光电子能谱，我们在OER反应中，观察到铱酸锶的表面化学性能以及从晶体转变为非晶体的过程。”此类观察结果能够让大家对铱酸锶为什么是一种出色的催化剂有了更深入的了解。

Feng教授还补充道，该项研究为如何利用电位促进在电化学界面上形成功能非晶形层提供了见解，还有利于设计出更好的催化剂。