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    鐵銹!經濟高效的制氫催化劑問世浙江鋒源氫能科技科技有限公司 行業動態 發布時間:2020-03-13 點擊瀏覽:152次
      新能源時代,電動汽車中的鋰電池車與氫燃料車正迎來正面的較量。但讓很多人疑惑的是,在鋰電池技術發展日益成熟的當下,為什么氫燃料要加快“上馬”?2019年,我國《政府工作報告》中第一次提到了氫能源,并表示要大力推動充電、加氫等設施建設。
      氫是一種無色的氣體,在大自然中分布非常廣泛。水是氫的大“倉庫”,石油、煤炭、天然氣、泥土、動植物體內等都含有氫。氫的主體是以化合物水的形式存在,地球表面約70%為水所覆蓋,因此氫可以說是“取之不盡、用之不竭”的能源。
      除核燃料外,氫的發熱值(142.351kJ/kg)是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的,是汽油發熱量的3倍。氫燃燒的產物是水,不會產生任何廢渣和廢氣,對環境沒有任何污染。因此,氫被認為是21世紀最理想的清潔能源,其中日本和韓國正在實行能源重組以實現零排放的“氫經濟”,聲稱運輸將主要由燃料電池汽車和燃氫發動機驅動。但是,截至目前為什么氫未能得到大范圍應用呢?
      據了解,氫氣極易燃燒,且很容易從儲罐泄漏,在存儲和運輸過程中可能引起爆炸危險;盡管純氫自然存在于地球上,但其數量不足以實現具有成本效益的利用;氫原子必須從甲烷或水等分子中提取,這需要消耗大量能源;盡管目前存在幾種生產氫燃料的技術,但科學家們還未能使該過程“足夠有效”,氫尚未成為能源市場上具有商業競爭力的燃料。
      常用的幾種制氫方法:采用化石燃料制取氫氣;從化工副產物中提取氫氣,如采用來自生物的甲醇甲烷制取氫氣,以及利用太陽能、風能對水進行電解等。作為相對傳統的方式,化石燃料制氫的缺點在于既離不開對化石燃料的依賴,同時仍然會排出二氧化碳等溫室氣體,降低了制氫的環保效益。
      目前,人們大多采用水蒸氣或天然氣蒸氣重組反應合成氫氣,但此過程中也會產生二氧化碳,不夠環保;另一種電解水制氫,人們可運用再生能源電力與該技術來分解水,進而制造氫氣與氧氣,只是耗能又不省水。多年來,科學家們一直在努力尋求更為廉價,經濟和環保的方式來生產氫氣。實現這一目標最有效的方法之一是通過太陽能驅動的過程,即使用光來加速(或催化)將水分子分解為氧氣和氫氣。
      20世紀70年代,曾有科學家研發出光催化制氫,即利用二氧化鈦作為光催化劑,讓陽光、紫外光分解水并制造氫、氧,最后再將氫氣用于燃料電池。但是,二氧化鈦制價格昂貴,且制氫量往往不高,若要提高效率,得使用釕、白金與鎘等或昂貴或具有毒性的金屬。
      近日,日本東京理科大學的研究人員,發現了一種更便宜、更容易獲得的半導體催化劑材料——一種稱為針鐵礦(α-FeOOH)的銹蝕形式。在相同的光下,汞/疝氣燈照射下的產氫量可比二氧化鈦催化劑高25倍,相關成果已發表于《化學》雜志。
      針鐵礦是常見的一種鐵的氧化物,通常所見的鐵銹都是由它組成,顏色為黃棕、暗棕色,是煉鐵的重要原料,不僅來源廣泛,市場也比較成熟。該新型光催化劑材料既可提高反應效率,還能解決太陽能驅動的氫氣生產中使用半導體催化劑遇到的常見挑戰:催化劑材料需要適合使用光能;當前使用的大多數光催化劑需要稀有或貴金屬作為助催化劑,它們昂貴且難以獲得;實際中生產氫氣和氧氣時如果不立即分離,則這兩種氣體的混合物可能會減少氫燃料的輸出,最壞的情況甚至還會引起爆炸。
      試驗中,該研究團隊首先在容器中放入水-甲醇溶液和催化劑α-FeOOH,再用氙氣燈照射α-FeOOH,進而觀察氫氣的產量,以評估該系統生產氫氣的效率及活化它的最佳實驗條件。他們對于采用該催化劑制氫感到非常驚喜,因為大多數氧化鐵不還原氫;而尋找活化α-FeOOH的條件時,他們又發現氧是不可缺少的因素。因為此前曾有許多研究表明,氧通過捕獲激發的電子會抑制氫的產生。該團隊通過利用“氣相色譜-質譜分析”法,進一步證實了“水-甲醇溶液”中氫氣的產生機制。
      他們發現,α-FeOOH的活性是二氧化鈦的25倍,從而支持了穩定持續的超過400h的氫氣生產。此外,這種特殊形式的銹蝕有助于阻止氫氣與容器中的氧氣再度重新組合,使得兩種氣體的分離更為容易,進而降低爆炸風險。
      接下來,需要更多的研究來優化此反應過程。氧在激活光誘導的α-FeOOH中的特定功能尚未公開,當從反應室中移出氧氣時,系統會完全停止工作。因此該團隊的下一步工作是精確研究氧氣在激活光誘導的α-FeOOH反應中的作用。盡管這項技術仍然需要分解水才能產生氫,但這可能是使用日光的有效方法,而無需任何昂貴的催化劑。


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