新催化剂降低制氢成本 燃料电池翻身之日或将至

　　【中国环保在线 新能源设备】一直以来，氢燃料电池所用的氢燃料都是由催化剂分解水来制取。分解水制氢用催化剂的成本过于高昂一直是制约氢燃料电池推广的重要因素。近日，多项制氢用催化剂关键技术获得的突破，让氢燃料电池的制氢成本得到了大幅度的下降，氢燃料电池的市场化前景也变得明朗。在不远的将来，我们或许就能看到氢燃料电池取代锂电池在马路上驱动着新能源汽车的一天。　　　　
　　氢燃料电池是一种以氢气为负极，以氧气为正极，通过一系列化学反应将燃料转化为电能的装置，由于其具有转换效率高、排放废弃物少、功率范围广、容量大、无需充电、噪音低等特点，现已成为新能源汽车的一种重要能量来源。由于其一直以来都有着结构复杂、价格昂贵等缺点，新能源汽车的电池市场长期被锂电池霸占。近日，多项制氢用催化剂关键技术获得的突破，让氢燃料电池的制氢成本得到了大幅度的下降。氢燃料电池超越锂电池的日子或将不远。
　　
　　中科大熊宇杰课题组的钯—铂核壳结构助催化剂
　　
　　光解水制氢是一种可以直接将太阳辐射能转化为氢能的途径。助催化剂可以促进太阳能产生的电荷与反应水分子的相互作用，已广泛应用于光催化领域中。贵金属铂材料早已证实是一类优异的光解水制氢助催化剂，但由于其成本高，人们一直在寻找降低铂用量的方法。
　　
　　中国科学技术大学教授熊宇杰课题组设计了出一类具有原子精度壳层的钯—铂核壳结构助催化剂。这种设计利用钯—铂金属间的电势差作为半导体中光生电子的“运动”驱动力，使得电子自发地依次从半导体向金属钯、铂“跑位”，后聚集在金属铂壳层的外表面，从而驱动了金属铂表面的光解水制氢反应。该电子驱动作用机制针对金属铂壳层厚度提出了原子精度的高要求，为此研究人员相应发展了壳层厚度控制的合成方法，无需使用成本高昂的原子层沉积技术即可生长少数原子层厚度的金属壳层。
　　
　　合作者江俊教授通过理论模拟，描述了该电荷演化过程；路军岭教授课题组以一氧化碳为探针分子，在红外光谱中清晰地反映出电荷在金属铂表面的选择性聚集效应，从而证实了该作用机制。
　　
　　近日，该成果在线发表于《德国应用化学》，并被选为该期刊的“非常重要论文”。熊宇杰表示，基于该技术，光解水制氢效率与无助催化剂的半导体光催化剂相比提高了322倍，比传统纯铂助催化剂的半导体光催化剂体系提高8.2倍。同时，该设计以相对廉价的钯内核替代了金属铂，使材料成本降低了1/3以上。
　　
　　美国桑迪亚国家实验室的优化二氧化钼催化剂
　　
　　美国电话电报公司子公司桑迪亚国家实验室的研究者日前优化了一种催化剂——二氧化钼，其每盎司2美元的价格与每盎司900美元天价的铂相比如同泥土一样廉价。而且这种经过优化后的催化剂分解水产生的氢气总量，是原始二氧化钼作为催化剂时产生氢气量的4倍。桑迪亚国家实验室研究员斯坦仇表示，这仅仅只是开始，若研究更好地整合二氧化钼及燃料电池体系的过程，产出量还将更多。
　　
　　这种新催化剂的另一个优势在于，催化过程可由太阳光引发，这种特性使其能够给远离电网的用户提供更多获得氢燃料的新方法。斯坦仇称，他们还在通过研究二氧化钼在原子尺度的结构转变，来使材料中不活跃的成分也能产生氢气。
　　
　　二氧化钼并不是像金属一样由金属键固定形成的晶体，它的内部是更类似于石墨的、松散可以彼此间滑动的（因此二氧化钼可也以用作润滑剂）、具有很大内表面积的片层结构。斯坦仇所指的不活跃成分，正是那部分内表面积。
　　
　　然而，这也是难点所在：尽管这些纳米结构的边缘在催化氢能力上可以与铂相提并论，但由于这些多余的结构，商业催化剂就需要大量的二氧化钼。为解决此类难题，另一位研究员布莱恩·卡尔表示，有效的方法是在溶液中用锂来分离这些纳米层，使得材料分离时将分子点阵变为不同的形式，而所获得的终产物同样具有催化作用。
　　
　　中美科学家联合研制的固态催化剂
　　
　　近日，来自中国科学院、美国莱斯大学、德克萨斯大学圣安东尼奥分校及休斯顿大学的科学家近日在《自然·通信》杂志上报告，他们开发出了一种稳定的固态催化剂，可取代昂贵的铂来制氢，在利用低成本催化剂生产能源方面迈出了重要一步。
　　
　　莱斯大学的科学家图尔表示，该项研究的大特点是该催化剂不是利用金属颗粒，也不是利用金属纳米粒子，而是利用原子。因为即便是纳米颗粒，其有效部位仅在表面，很多纳米颗粒内部的原子无法发挥作用。新催化剂仅利用很少量的钴，其旁边没有金属原子，在很低的电压下即可发挥出相当于铂催化剂的效率。
　　
　　研究人员将新催化剂混合成溶液，制成了纸状材料或表面涂层。单原子催化剂不是在表面上形成的，而是在液体中形成。这种催化剂很容易集成到设备上。
　　
　　研究人员同时发现，在经热处理的石墨烯氧化物和少量的气态钴盐环境中，可使个别钴原子结合到材料上。电子显微镜图像显示钴原子在整个样本中分布十分广泛。
　　
　　原子厚度的石墨烯是理想的基板，其有较高的比表面积，具有恶劣工作条件下的稳定性和高导电性。研究人员表示，铂碳催化剂起始电压低，仍是目前好的催化剂，但新催化剂的产氢效率与铂碳催化剂相近，易生产，成本低于铂碳催化剂数百倍，是一种很好的高性能材料。
　　
　　制氢用催化剂的成本过于高昂，一直是制约氢燃料电池推广的重要因素。这些催化剂的研制成功，使得氢燃料电池的市场化前景变得明朗。不同于汽油，氢燃料在燃烧时不会向大气中排放二氧化碳，氢和氧在燃烧过程中只产生水。氢燃料电池的大量使用，将对遏制气候恶化、保护生态环境有着重大的贡献，在碳交易市场中也可以获得有利地位。
　　
　　（资料参考中国科学报、科技日报）