- 新型催化剂可减少绿氢生产中的贵金属使用量。
- 该催化剂在稳定运行下超过 300 小时，性能优于商业基准。
- 合金催化剂的贵金属含量仅为商业基准的一半。
- 研究显示中熵合金可克服活性与稳定性之间的权衡。
位于葡萄牙布拉加的研究人员开发了一种新型催化剂，可能使绿氢生产所需的贵金属数量减少。该材料的性能超越了商业基准，尽管其贵金属含量仅为基准的一半。国际伊比利亚纳米技术实验室（INL）的团队将铂、镍和钌合成了一种合金，专为质子交换膜水电解（PEMWE）设计。研究报告指出，在 60 °C（140°F）下，该单元设备的稳定运行时间超过 300 小时。这项发现解决了电解槽的一个挑战，即在保持性能的同时减少对昂贵材料的依赖。
催化剂性能超越基准
PEMWE 利用电力将水分解为氢和氧。在可再生电力的驱动下，这提供了一条绿氢生产的途径。然而，阴极的氢生成反应在很大程度上依赖稀缺的铂族金属。INL 的 Kolen’ko 研究小组使用连续流合成反应器来生产铂-镍-钌中熵合金的纳米颗粒。这些颗粒的直径仅为 1.5 纳米，均匀地固定在富缺陷的石墨烯上。该催化剂的贵金属含量为 20.5%，相比商业基准的 40%铂含量，显示出显著的优势。
尽管贵金属含量较低，但在多项测量中，其性能仍超越了基准。
在单电池 PEMWE 设备中，该催化剂在 1.6 伏特下实现了每平方厘米 1.0 安培的电流密度。催化剂的运行行为对其性能至关重要。最初，镍氧化物物种覆盖在颗粒表面。经过阴极极化后，这些氧化物被还原，暴露出金属合金的表面。该研究的通讯作者 Sitaramanjaneya Mouli Thalluri 表示：“催化剂并未降解，而是激活，这与直觉相悖，正是长期运行所需的特性。”同步辐射 X 射线吸收光谱确认，表面重构是由电化学驱动的。
在 60 °C（140°F）这一典型工业运行温度下，该单元在超过 300 小时的时间内保持稳定电压。相比之下，商业基准在测试过程中持续出现性能衰退。
合金的生产过程潜力
这些结果表明，合金的表面变化可以支持持续的活动，解决了在不妥协稳定性的情况下提高催化性能的困难。研究人员还强调了生产过程的潜力。将具有显著不同还原电位的金属结合在一起是一项挑战，因为它们的形成必须协调以产生预期的合金。共同通讯作者 Srinivas Katam 表示：“连续流合成是此处的游戏改变者。”团队指出，该反应器使金属的成核同步，为大规模生产提供了一条途径。
INL 的 Kolen’ko 研究小组负责人 Dr. Yury V. Kolen’ko 表示：“这项工作证明，中熵合金在通过连续流合成生产时，可以克服传统的活性与稳定性之间的权衡。”研究人员还看到该技术在氢气生产之外的潜在应用，包括其他电化学能量转换技术。该研究获得葡萄牙复兴与韧性计划（PRR）在下一代欧盟框架下的资助，通过 Moving2Neutrality 创新协议进行。
单电池的结果为进一步开发大型电解槽系统奠定了基础，减少贵金属需求并维持耐用性仍然是关键目标。该研究已发表于《化学工程期刊》。
新型催化剂对绿氢生产的影响
随着可再生能源需求的增加，绿氢的生产成为重要的研究领域。这项新型催化剂的开发不仅降低了对稀缺贵金属的依赖，还在稳定性和性能上达到了新的高度。这对于未来大规模生产绿氢具有重要意义，因为它可以减少生产成本并提高效率。此外，该技术的潜在应用也可能拓展至其他电化学能量转换技术，进一步推动可持续能源的发展。