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新加坡研发低成本催化剂 可提升水分解制氢的效率

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58京牌 ,新加坡南洋理工大学(NTU)的一组科学家发现一组参数,可以决定低成本催化剂尖晶石氧化物效率,这一发现打破了利用电解(用电分解水)从水中提取氢所遇到的瓶颈。

(图片来源:南洋理工大学)

电解水制氢的主要挑战在于,在电解水化学反应中,会出现能量损失,从而会提高水分解产氢的成本,因此,需要利用催化剂来加速此类化学反应。

尖晶石氧化物通常由廉价的过渡金属制成,近年来,成为一种稳定、低成本的催化剂,引起了人们的兴趣。但是,由于缺乏对尖晶石氧化物工作原理的了解,高性能尖晶石氧化物的设计工作受到了阻碍。

现在,新加坡南洋理工大学的副教授Jason Xu Zhichuan和团队已经取得两项重要进展,从原子角度了解了尖晶石氧化物可以如何加速水电解产氢。有了这一新认识之后,研究小组利用机器学习选择催化活性得到增强的新款尖晶石氧化物,让电解水更高效。

此类发现也让该团队得以进一步找到合适的水分解方法,以大规模制氢。而且利用风能或太阳能等可再生能源提供动力,从电解水中提取氢气也是生产氢燃料电池的一种好方法。而氢燃料电池可以取代发电厂、运输工具和燃料补给使用的化石燃料。

此外,氢气还可以取代锂离子电池等传统储能设备,因为锂离子电池会随着时间推移渐渐失去电量。

在电解槽中进行水电解时会发生两种主要的化学反应:一种是制氢的反应,另一种是制氧的反应,而且两种气体会被一种薄膜隔开。研究人员表示,水电解的发展瓶颈主要在于制氧反应,会导致析氧反应。

虽然析氧反应对分解水制氢燃料非常重要,但是这是一个缓慢的化学过程,会降低整体的能量转换效率,因而需要金属氧化物等催化剂来加快反应速度。虽然贵金属氧化物已被证明是最先进的催化剂,可以降低能源消耗、提高能源转换效率,但是储量少、成本高、耐久性差等特点限制其得到大规模应用。

不过,尖晶石氧化物成本低、储量大,如果设计成含有正确的参数,如设置好尖晶石氧化物中过渡金属的类型,以增加其催化活性,就可以成为一种可行的替代品。

根据该团队已经确定的关键参数,该团队训练了一个机器学习模型,模型中包含300多个尖晶石氧化物数据集,可在几秒钟内预测任何尖晶石氧化物催化剂的效率。采用此种方法,该团队发现一种由锰和铝构成的新型氧化物被模型预测会显示出优越的催化活性,并在实验中得到了验证。

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