使用鉑鎳催化劑 在氫氣中存儲能量的效率提高了20倍

催化劑促進(jìn)了化學(xué)反應(yīng)，但是廣泛使用的金屬鉑稀缺且昂貴。埃因霍溫科技大學(xué)(TU / e)的研究人員與中國，新加坡和日本的研究人員一起，已經(jīng)開發(fā)出了一種活性高20倍的替代產(chǎn)品：一種具有鎳和鉑合金空心納米籠的催化劑。TU / e研究人員Emiel Hensen希望將來使用這種新催化劑開發(fā)冰箱大小的電解槽，該電解槽大小約為10兆瓦。該結(jié)果將于11月15日發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。

到2050年，中央政府的目標(biāo)是從可持續(xù)的能源(例如太陽或風(fēng))中獲得荷蘭幾乎所有的能源需求。由于這些能源并非始終可用，因此能夠存儲產(chǎn)生的能量非常重要。由于電池的能量密度低，因此不適合存儲大量能量。更好的解決方案是化學(xué)鍵，氫是最明顯的氣體選擇。電解器使用水將電能(過量)轉(zhuǎn)化為氫，并可以存儲氫。在稍后的階段，燃料電池則相反，將存儲的氫轉(zhuǎn)換回電能。兩種技術(shù)都需要催化劑來推動這一過程。

由于其高活性，有助于這些轉(zhuǎn)化的催化劑主要由鉑制成。但是鉑金非常昂貴并且相對稀缺。如果我們想大規(guī)模使用電解槽和燃料電池，這是一個問題。TU / e催化教授Emiel Hensen說：“因此，來自中國的研究人員開發(fā)了鉑和鎳的合金，從而降低了成本并提高了活性。”

有效的催化劑具有很高的活性。每秒將更多的水分子轉(zhuǎn)化為氫。Hensen說：“在TU / e，我們研究了鎳對關(guān)鍵反應(yīng)步驟的影響，為此，我們基于電子顯微鏡的圖像開發(fā)了計算機模型。利用量子化學(xué)計算，我們能夠預(yù)測鎳的活性。新型合金，我們就能理解為什么這種新型催化劑如此有效。”

在燃料電池中成功測試

除了金屬的其他選擇外，研究人員還能夠?qū)π螒B(tài)進(jìn)行重大改變。催化劑中的原子必須與水和/或氧分子鍵合才能轉(zhuǎn)化它們。因此，更多的結(jié)合位點將導(dǎo)致更高的活性。亨森說：“您希望盡可能多地利用金屬表面。可以從外部以及從內(nèi)部進(jìn)入已開發(fā)的空心納米籠。這會產(chǎn)生較大的表面積，從而允許更多的材料同時發(fā)生反應(yīng)。 ” 此外，Hensen用量子化學(xué)計算證明了納米籠的特定表面結(jié)構(gòu)甚至進(jìn)一步提高了活性。

經(jīng)過Hensen模型的計算，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩種溶液的活度比目前的鉑催化劑高20倍。研究人員還在燃料電池的實驗測試中發(fā)現(xiàn)了這一結(jié)果。“對許多基礎(chǔ)工作的重要批評是它在實驗室中完成了它的工作，但是當(dāng)有人將其放在真實設(shè)備中時，它通常是行不通的。我們已經(jīng)表明，這種新催化劑可以在實際應(yīng)用中工作。 ”

催化劑的穩(wěn)定性必須使其能夠在氫汽車或房屋中繼續(xù)工作數(shù)年。因此，研究人員在燃料電池中測試了該催化劑5萬“圈”，發(fā)現(xiàn)其活性降低得可以忽略不計。

每個地區(qū)都有電解槽

這種新型催化劑的可能性多種多樣。既是燃料電池的形式，又是電解槽中的逆反應(yīng)。例如，燃料電池用在氫動力汽車中，而一些醫(yī)院已經(jīng)有了帶有氫動力燃料 電池的應(yīng)急發(fā)電機。電解槽可用于例如海上風(fēng)電場，甚至可能在每個風(fēng)力渦輪機旁邊。運輸氫比運輸電便宜得多。

亨森的夢想更進(jìn)一步。他說：“我希望我們能夠很快在每個社區(qū)中安裝一個電解器。這種冰箱大小的設(shè)備在白天將鄰居屋頂上的太陽能電池板的所有能量存儲為氫氣。地下天然氣管道將將來運輸氫，家用中央供暖鍋爐將由燃料電池代替，燃料電池將儲存的氫轉(zhuǎn)換回電能。這就是我們?nèi)绾纬浞掷藐柟獾姆绞健?rdquo;

但是要做到這一點，電解槽仍需要進(jìn)行大量開發(fā)。因此，亨森與來自布拉班特地區(qū)的其他TU / e研究人員和工業(yè)合作伙伴一起，參與了埃因霍溫TU 能源研究所的啟動。目的是將當(dāng)前的商用電解槽規(guī)模擴大到約10兆瓦的冰箱大小的電解槽。