- 新型鉑-鎳催化劑可持續運行3000小時，性能幾乎不變。
- 催化劑採用原子級結構，防止鎳在運行中溶解。
- 有序金屬間結構使鎳更能抵抗溶解，提升催化性能。
- 該技術可應用於可再生能源驅動的氫氣設施。
韓國研究人員開發出一種新型的鉑-鎳催化劑，能在連續運行 3000 小時的情況下幾乎保持所有性能，這可能解決水電解和綠色氫氣生產面臨的最大挑戰之一。該催化劑採用原子級結構，防止鎳在運行過程中溶解，這一過程會導致傳統催化劑隨時間退化。在一個大型三電池電解堆中測試後，這種新材料在大約四個月的連續運行中，性能下降少於 2%。研究人員解釋，這一方法可以延長催化劑的使用壽命，降低維護和更換成本，並支持使用可再生電力開發更具商業可行性的氫氣生產系統。
催化劑的高效性與挑戰
催化劑在原子級別的變化使其更加高效。此催化劑是為陰離子交換膜水電解（AEMWE）技術開發的，該技術通過在鹼性環境下分解水來產生氫氣。AEMWE 受到關注的原因在於，與某些傳統電解技術相比，它可以減少對昂貴貴金屬的依賴。挑戰在於，氫氣產生反應在鹼性環境中較慢，因此需要能夠提供高活性的催化劑，而不會迅速失去性能。傳統的鉑-鎳催化劑初期表現良好，但隨著運行時間延長，鎳會逐漸溶解。
鎳的流失會改變材料的成分和電子結構，從而降低催化性能。
有序結構的優勢
來自韓國材料科學研究院（KIMS）的研究人員通過改變原子的排列方式來解決這一問題。他們沒有隨機混合鉑和鎳，而是創建了一種有序的金屬間結構，其中兩種元素在晶格中佔據明確的位置。計算模型顯示，這一配置使鎳更能抵抗溶解。該材料在低温下合成，然後在氮氣氣氛中進行熱處理。此過程使初始無序的鉑和鎳原子重新組織成更穩定的有序結構。
在四個月的連續氫氣生產測試中，顯示出傳統催化劑和有序版本之間的顯著差異。在耐久性測試後，傳統材料損失了約 54%的原始鎳，而有序催化劑僅損失約 9%。研究人員隨後超越實驗室規模測試，將催化劑集成到一個大型三電池堆中，活躍面積約為 99 平方英寸。該系統連續運行了 3000 小時，約四個月的耐用性對於綠色氫氣的經濟性至關重要。
催化劑的替換和維護可能顯著增加運營成本，特別是當電解槽在更大規模上部署並連接到可再生能源源時，這可能會引入波動的運行條件。研究人員表示，該技術最終可以應用於可再生能源驅動的氫氣設施、分佈式電解槽和大型電解堆。此外，原子有序的方法可能還可以擴展到氫氣生產之外。團隊認為，相同的原子有序策略也可以應用於其他鉑-過渡金屬催化劑、燃料電池和電化學能量系統，可能改善其耐久性和性能，同時減少長期運行過程中的材料退化。
新催化劑技術的潛在影響
這種新型鉑-鎳催化劑的開發對於綠色氫氣生產具有重要意義。隨著全球對可再生能源需求的增加，提升氫氣生產的經濟性和效率成為關鍵。這項技術不僅延長了催化劑的使用壽命，還降低了維護成本，從而促進了可再生能源的應用。此外，這種原子有序的方法可能在其他催化系統中也能發揮作用，進一步推動氫能技術的發展。