重組“CP”讓綠色氫能生產(chǎn)廉價(jià)高效

總有一天，人們可以將水電解的氫和氧用作燃料，并使之成為供暖和照明的無(wú)限能源……

這一種出現在一個(gè)多世紀前的科幻小說(shuō)中的“未來(lái)燃料”，如今已經(jīng)觸手可及，成為現實(shí)。

氫能源汽車(chē)、氫燃料電池……越來(lái)越多的氫能源高科技產(chǎn)品進(jìn)入了公眾視野。如何才能獲得這種高效又環(huán)保的能源，一直是眾多科研工作者努力探索的問(wèn)題。

近日，揚州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院教授許小勇團隊開(kāi)創(chuàng )性地提出了一種通過(guò)二維過(guò)渡金屬碳化物介導重構，保持電解水制氫催化劑活性持久穩定的新方法。

在此基礎上，團隊成功研發(fā)了一種高性能的鎳鐵氫氧化物催化劑，實(shí)現了綠色氫能制造工藝的“廉價(jià)高效”，為實(shí)現環(huán)境和能源的可持續發(fā)展提供了一種潛在的解決方案。相關(guān)研究成果發(fā)表于美國《國家科學(xué)院院刊》。

“氫”風(fēng)襲來(lái)：降本增效成關(guān)鍵

隨著(zhù)社會(huì )的不斷進(jìn)步和科技的飛速發(fā)展，人類(lèi)所依賴(lài)的化石燃料正被過(guò)度消耗，導致的能源危機和環(huán)境污染問(wèn)題日益凸顯。發(fā)展清潔能源，提升能源含“綠”量，成為當務(wù)之急。

氫能是一種清潔低碳、靈活高效的能源，對于促進(jìn)全球經(jīng)濟脫碳有著(zhù)不可或缺的替代作用，被認為是21世紀最具發(fā)展潛力的一種二次清潔能源。

根據氫氣制取過(guò)程的碳排放強度，氫氣被分為“灰氫”“藍氫”和“綠氫”三類(lèi)。許小勇告訴《中國科學(xué)報》：“目前，市面上超過(guò)98%的氫氣來(lái)源于化石燃料，即所謂灰氫?；覛潆m然價(jià)格相對較低，每公斤的成本大約在9至14元之間，但其生產(chǎn)過(guò)程往往伴隨大量的二氧化碳排放，這與我們追求的‘雙碳’目標背道而馳。”

與此同時(shí)，利用可再生能源進(jìn)行電化學(xué)水分解制氫(即綠氫)，雖然無(wú)須擔憂(yōu)碳排放問(wèn)題，但在當前工業(yè)化生產(chǎn)中仍面臨著(zhù)能耗高、效率低的挑戰，嚴重限制了其規?；瘧玫那熬?。

許小勇進(jìn)一步分析了造成這一困局的根源：水分子以其卓越的穩定性著(zhù)稱(chēng)，必須在充沛的電能輸入和高效催化劑的共同作用下，方能實(shí)現斷鍵，進(jìn)而分離出氫分子。“若我們僅僅著(zhù)眼于提升電流密度，而忽視催化劑活性的改進(jìn)，不僅會(huì )增加電能消耗，還可能事倍功半。”他表示。

目前，市場(chǎng)上廣泛應用的催化劑主要是貴金屬催化劑，盡管它們表現出卓越的穩定性，但高昂的成本和相對較低的商業(yè)化程度限制了其廣泛應用。數據顯示，電解水制取一公斤氫氣的成本大約在32~35元之間，大大超過(guò)了通過(guò)化石能源制取氫氣的成本。

在此背景之下，綠色氫能經(jīng)濟要想實(shí)現工業(yè)化、普及化及商業(yè)化，必須攻克催化劑“降本增效”這一重大難題。

重組“CP”：廉價(jià)催化劑的重構

長(cháng)期以來(lái)，許小勇團隊一直致力于電解水制氫“廉價(jià)高效”催化劑的研究。

團隊研究發(fā)現，鎳鐵氫氧化物催化劑在電解過(guò)程中展現出了卓越的“領(lǐng)跑”能力。其優(yōu)勢在于，不僅能夠顯著(zhù)降低電解過(guò)程中的能量損耗，提高電解效率，還具備成本低和資源儲備豐富等顯著(zhù)優(yōu)勢。這使得其成為貴金屬催化劑的理想替代品。

“但在持續電解水的過(guò)程中，這種催化劑會(huì )發(fā)生鐵元素泄漏，并且活性隨之下降。”許小勇指出，這也是制約其在電解水制氫中廣泛應用的難題。

為攻克這一難題，研究團隊獨具匠心地設計了一種解決方案，即通過(guò)二維過(guò)渡金屬碳化物介導重構的方法，精確調控鐵位點(diǎn)在催化劑結構中的配位狀態(tài)，從而確保催化活性的持久穩定。

“在重構過(guò)程中，原本催化劑中的‘鐵-碳氮-鎳’配位發(fā)生了改變，在電解水反應過(guò)程中，鐵元素流失到電解液中，二維過(guò)渡金屬碳化物將流失到電解液中的部分鐵元素重新綁定，形成新的‘鐵-氧’配位。”論文第一作者、揚州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院碩士研究生虞倩形象地比喻，“好比在一個(gè)舞會(huì )上，舞者換了新的舞伴后重組了‘CP(配對)’。”

“此外，將二維過(guò)渡金屬碳化物作為介導物也是保證重構試驗成功的關(guān)鍵因素。”團隊成員之一、揚州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院博士生李成表示。

據悉，團隊在前期投入了大量時(shí)間和精力，對各種材料進(jìn)行深入研究。他們驚喜地發(fā)現，二維過(guò)渡金屬碳化物的表面攜帶電負性基團，它為錨定催化劑中的鐵位點(diǎn)提供了極為有利的條件。此外，該材料還具有出色的導電性和親水性，無(wú)疑成為了試驗材料的首選。

“在重構配位后，催化劑在電解水制氫過(guò)程中起到了加快反應速率的作用，同時(shí)還能為自身的鐵位點(diǎn)筑起一道堅實(shí)的防護屏障，抵御氧化的侵襲，從而提高整個(gè)電解水過(guò)程的效率和穩定性。”李成表示。

持續探索：對接產(chǎn)業(yè)需求

“在實(shí)際的工業(yè)環(huán)境下，為了實(shí)現高效生產(chǎn)，水電解過(guò)程通常需要在大電流密度(>500毫安/平方厘米)的條件下進(jìn)行。”許小勇強調，這一要求使得傳統操作方式無(wú)法滿(mǎn)足水電解制氫工業(yè)化發(fā)展的需求。

據悉，傳統的鎳鐵氫氧化物催化劑在進(jìn)行電解水制氫時(shí)，隨著(zhù)電流量的增加，其活性會(huì )逐漸降低。這一現象在大電流密度的條件下表現得尤為顯著(zhù)。

不過(guò)，在團隊的最新試驗中，通過(guò)二維過(guò)渡金屬碳化物介導重構得到的鎳鐵基催化劑在電流密度大幅提升至1000毫安/平方厘米時(shí)，依然能展現出卓越的催化性能。

“據我們所知，目前在超過(guò)500 毫安/平方厘米的工業(yè)級電流密度下，關(guān)于鎳鐵氫氧化物催化劑的耐久性幾乎鮮有報道。”許小勇說(shuō)，“這意味著(zhù)，我們的研究成果為水電解制氫工業(yè)的大規模發(fā)展提供了依據和可能。”

“未來(lái)，團隊將對接產(chǎn)業(yè)需求，加大力度投入制氫裝備的自主研發(fā)，持續開(kāi)展可再生能源制氫等關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，實(shí)現技術(shù)升級，力爭為領(lǐng)跑‘零碳時(shí)代’貢獻更大力量。”許小勇表示。

相關(guān)論文信息：

https://doi.org/10.1073/pnas.2319894121