新型合金催化劑在綠色氫氣生產中減少貴金屬使用量，運行穩定性達 300 小時

位於葡萄牙布拉加的研究人員開發了一種新型催化劑，可能使綠氫生產所需的貴金屬數量減少。該材料的性能超越了商業基準，儘管其貴金屬含量僅為基準的一半。國際伊比利亞納米技術實驗室（INL）的團隊將鉑、鎳和釕合成為一種合金，專為質子交換膜水電解（PEMWE）設計。研究報告指出，在 60 °C（140°F）下，該單元設備的穩定運行時間超過 300 小時。這項發現解決了電解槽的一個挑戰，即在保持性能的同時減少對昂貴材料的依賴。

催化劑性能超越基準

PEMWE 利用電力將水分解為氫和氧。在可再生電力的驅動下，這提供了一條綠氫生產的途徑。然而，陰極的氫生成反應在很大程度上依賴稀缺的鉑族金屬。INL 的 Kolen’ko 研究小組使用連續流合成反應器來生產鉑-鎳-釕中熵合金的納米顆粒。這些顆粒的直徑僅為 1.5 納米，均勻地固定在富缺陷的石墨烯上。該催化劑的貴金屬含量為 20.5%，相比商業基準的 40%鉑含量，顯示出顯著的優勢。

儘管貴金屬含量較低，但在多項測量中，其性能仍超越了基準。

在單電池 PEMWE 設備中，該催化劑在 1.6 伏特下實現了每平方釐米 1.0 安培的電流密度。催化劑的運行行為對其性能至關重要。最初，鎳氧化物物種覆蓋在顆粒表面。經過陰極極化後，這些氧化物被還原，暴露出金屬合金的表面。該研究的通訊作者 Sitaramanjaneya Mouli Thalluri 表示：「催化劑並未降解，而是激活，這與直覺相悖，正是長期運行所需的特性。」同步輻射 X 射線吸收光譜確認，表面重構是由電化學驅動的。

在 60 °C（140°F）這一典型工業運行溫度下，該單元在超過 300 小時的時間內保持穩定電壓。相比之下，商業基準在測試過程中持續出現性能衰退。

合金的生產過程潛力

這些結果表明，合金的表面變化可以支持持續的活動，解決了在不妥協穩定性的情況下提高催化性能的困難。研究人員還強調了生產過程的潛力。將具有顯著不同還原電位的金屬結合在一起是一項挑戰，因為它們的形成必須協調以產生預期的合金。共同通訊作者 Srinivas Katam 表示：「連續流合成是此處的遊戲改變者。」團隊指出，該反應器使金屬的成核同步，為大規模生產提供了一條途徑。

INL 的 Kolen’ko 研究小組負責人 Dr. Yury V. Kolen’ko 表示：「這項工作證明，中熵合金在通過連續流合成生產時，可以克服傳統的活性與穩定性之間的權衡。」研究人員還看到該技術在氫氣生產之外的潛在應用，包括其他電化學能量轉換技術。該研究獲得葡萄牙復甦與韌性計劃（PRR）在下一代歐盟框架下的資助，透過 Moving2Neutrality 創新協議進行。

單電池的結果為進一步開發大型電解槽系統奠定了基礎，減少貴金屬需求並維持耐用性仍然是關鍵目標。該研究已發表於《化學工程期刊》。

新型催化劑對綠氫生產的影響

隨著可再生能源需求的增加，綠氫的生產成為重要的研究領域。這項新型催化劑的開發不僅降低了對稀缺貴金屬的依賴，還在穩定性和性能上達到了新的高度。這對於未來大規模生產綠氫具有重要意義，因為它可以減少生產成本並提高效率。此外，該技術的潛在應用也可能拓展至其他電化學能量轉換技術，進一步推動可持續能源的發展。