佐治亚理工学院的研究人员观察到水分解反应堆产生的氢气和氧气。信贷:佐治亚理工学院气候危机要求增加太阳能和风能等可再生能源的使用，但由于间歇性的可用性，可扩展的储能是一个挑战。氢——尤其是无碳绿色氢——已经成为太阳能和风能等可再生能源的一种有前途的清洁能源载体和储存选择。它不会增加大气中的碳排放，但目前制造成本高且复杂。
产生绿色氢的一种方法是电化学水分解。这个过程包括在催化剂(促进反应的物质)的存在下，使电流通过水产生氢气和氧气。
佐治亚理工学院和佐治亚理工学院(GTRI)的研究人员开发了一种新的水分解工艺和材料，最大限度地提高了生产绿色氢的效率，使其成为希望转化为绿色氢用于可再生能源储存而不是传统的从天然气中生产碳排放氢的工业合作伙伴的负担得起且可获得的选择。
佐治亚理工学院的调查结果出炉之际，气候专家一致认为，氢对于世界顶级工业部门实现净零排放目标至关重要。去年夏天，拜登政府设定了一个目标，即在十年内将清洁氢的成本降低80%。能源部领导的倡议被称为“氢弹”，旨在到2030年将“清洁”或绿色氢的成本降至每公斤1美元。
科学家们希望用绿色氢取代天然气和煤炭，因为它们不会导致碳排放，从而成为更环保的可再生电能储存方式。目前，天然气和煤炭被用于在电网层面储存额外的电能。他们研究的重点是电解，即利用电将水分解成氢气和氧气的过程。
成本更低、更耐用的材料
佐治亚理工学院的研究团队希望使用混合材料作为电催化剂，使绿色氢成本更低、更耐用。如今，该工艺依赖于昂贵的贵金属成分，如铂和铱，这是通过大规模电解生产氢气的首选催化剂。这些元素既昂贵又稀有，这阻碍了用天然气替代氢能源的进程。根据市场研究公司Wood Mackenzie的数据，事实上，2020年，绿色氢占全年氢产量的比例不到1%，很大程度上是因为这笔费用。
“我们的工作将减少这些贵金属的使用，增加其活性和利用选择，”该研究的首席研究员承佑李说，他是乔治·w·伍德拉夫机械工程学院的副教授，也是电化学能量存储和转换系统的专家。
在发表在《应用催化B:环境与能源&环境科学》杂志上的研究中，Lee和他的团队强调了金属纳米粒子和金属氧化物之间的相互作用，以支持高性能混合催化剂的设计。
“我们设计了一种新的催化剂，我们想出了一种更好的氧化物基底，使用更少的贵金属元素，”李说。"这些混合催化剂对氧和氢都表现出优异的性能(裂解)."
纳米尺度分析
他们的工作依赖于来自研究伙伴韩国能源研究所的计算和建模，以及来自Kyungpook国立大学和俄勒冈州立大学的X射线测量，它们利用了该国的同步加速器，一种足球场大小的超级X射线。
“使用x光，我们可以在纳米尺度上监测水分解过程中催化剂的结构变化，”李解释说。"我们可以研究它们在操作条件下的氧化态或原子构型."
GTRI的研究科学家、该研究的主要研究者金浩公园(Jinho Park)表示，这项研究可能有助于降低绿色制氢设备的成本壁垒。除了开发混合催化剂，研究人员还微调了控制催化剂形状以及金属相互作用的能力。关键的优先事项是减少催化剂在系统中的使用，同时提高其耐用性，因为催化剂占设备成本的主要部分。
“我们希望长期使用这种催化剂，而不降低其性能，”他说。“我们的研究不仅专注于制造新的催化剂，还致力于理解其背后的反应机理。我们相信，我们的努力将有助于从根本上理解催化剂上的水裂解反应，并将为该领域的其他研究人员提供重要的见解。
催化剂形状很重要
根据帕克的说法，一个关键的发现是催化剂的形状在产生氢气中的作用。“催化剂的表面结构对于确定它是否优化了制氢非常重要。这就是为什么我们试图控制催化剂的形状以及金属和基底材料之间的相互作用，”他说。
Park表示，一些被定位为首先受益的关键应用包括燃料电池电动汽车的氢站和微电网，氢站目前仅在加利福尼亚州运行，微电网是一种新的社区方法，用于设计和运行依赖可再生能源驱动的备用电力的电网。
虽然对XYZ的研究进展顺利，但该团队目前正与合作伙伴合作，探索利用人工智能高效制氢的新材料。
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