工程師將電解槽催化劑中銥的使用量減少了 80%，加速了經濟實惠的綠色氫的發展

在全球脫碳競賽中，氫氣脫穎而出，成為最有前途的清潔燃料之一。然而，儘管其在無碳能源和運輸方面具有潛力，但水電解槽中氫氣的可持續生產卻受到高成本和一種關鍵成分銥的短缺的限制。

現在，萊斯大學的研究人員團隊開發了一種新型催化劑，可顯著減少質子交換膜（PEM）水電解槽所需的銥量，這是從水中生產綠色氫氣的關鍵技術。

他們的創新是一種銥穩定的氧化釕催化劑，其銥用量比傳統系統少六倍，可在連續運行超過 1,500 小時的情況下提供工業級性能。

該研究發表於 天然納米技術。

萊斯大學化學與生物分子工程助理教授王浩田表示：“這是使綠色氫更容易獲得和擴展的重要一步。” “通過將銥的使用量減少 80% 以上，我們正在消除氫經濟中最大的經濟和供應鏈瓶頸之一。”

現代 PEM 電解槽嚴重依賴銥，因為它是少數能夠承受有效水分離所需的嚴酷酸性條件的金屬之一。但銥是地球上最稀有的元素之一，目前其價格約為每克 160 美元，而且全球產量極其有限。

“如果不減少銥消耗量，預計僅電解槽的需求就可能超過全球年供應量的 75%，”王說。 “如果我們認真擴大氫氣生產規模，這是不可持續的。”

為了解決這個問題，萊斯團隊與迪諾拉科技公司的工業合作夥伴合作，結合密度泛函理論和蒙特卡羅模擬，開發了一種新的原子結構，其中銥原子戰略性地嵌入氧化釕（RuO）中。₂）格子。這種安排確保了內部的穩定性——這是一個意想不到的發現，使研究人員能夠用更少的銥實現持久的性能。

“我們的模擬表明，地下的銥原子發揮著關鍵作用，”萊斯大學化學和生物分子工程系威廉·馬什·賴斯助理教授托馬斯·森福特 (Thomas Senftl) 說。

“它們有助於保護其上方的釕原子在極端電化學條件下不被溶解，從而從內到外強化晶格。”

通過實驗，該團隊合成了一種名為Ru的催化劑。₆氧化鐵_X表示釕與銥的原子比為6:1。該材料表現出卓越的長期穩定性，可承受每平方厘米 2 安培的電流密度（行業標準）超過 1,500 小時，且降解程度極低。

“關鍵是讓銥均勻分佈在整個氧化釕結構中，”Senftl 說。 “這種均勻性促進了穩定性，因為銥有助於穩定氧化物晶格中相鄰的釕原子。”

該催化劑的性能還按照工業測試標准在 De Nora Tech 運行的 25 平方厘米 PEM 電解槽中進行了測試。在現實條件下，萊斯開發的催化劑在高電流和高溫下保持穩定的性能，儘管使用了一些金屬，但與純銥催化劑的活性相當。

“我們的結果表明，我們不需要富含銥的催化劑來實現耐久性，”王說。 “這為大規模生產具有成本效益的高性能 PEM 電解槽打開了大門。”

經濟影響是驚人的。該團隊的經濟分析表明，用 Ru 替代傳統的氧化銥₆氧化鐵_X 該催化劑可降低陽極催化劑成本80%以上，並降低​​對銥價格波動的敏感性。

撇開經濟學不談，該研究提出了催化劑開發的新範式：從內部穩定材料而不是從表面屏蔽材料。

“這項工作展示了理論和實驗如何齊頭並進，”森夫特爾說。 “通過將原子級建模與嚴格的實驗測試相結合，我們能夠準確地確定少量的銥如何穩定整個氧化物晶格。”

這一突破可能有助於加速 PEM 電解槽的全球採用，這種電解槽以其效率和緊湊設計而聞名，但受到成本的阻礙。隨著各國和公司在氫中心和脫碳項目上投資數十億美元，萊斯的低銥催化劑等創新可能會產生影響。

“這是為了消除進入氫經濟的障礙，”王說。 “如果我們能讓電解槽更便宜、更耐用並且減少對稀缺材料的依賴，氫可能成為真正的全球可再生燃料。”

25 平方厘米反應器的測試是與 De Nora Tech（Industrie De Nora SpA 的子公司）合作進行的，並在橡樹嶺國家實驗室和布魯克海文國家實驗室進行了先進的顯微鏡和光譜分析。