开发不需要昂贵铱的稳定水分解催化剂

创建氢经济并非易事，但莱斯大学的工程师发现了一种方法，可以使酸中的析氧催化变得更加经济和实用，这是水电解生产清洁氢燃料中最具挑战性的课题之一。

莱斯大学乔治·布朗工程学院的化学和生物分子工程师HaotianWang实验室用钌取代稀有和昂贵的铱，钌是一种更为丰富的贵金属，作为反应器中的正极催化剂，可将水分解成氢气和氧气.

该实验室成功地将镍添加到二氧化钌(RuO2)中，形成了一种坚固的阳极催化剂，该催化剂在环境条件下通过水电解产生氢气长达数千小时。

“业界对清洁氢有着巨大的兴趣，”王说。“它是一种重要的能源载体，对化学制造也很重要，但它目前的生产在全球化学制造业中贡献了很大一部分碳排放。我们希望以更可持续的方式生产它，使用清洁电力进行水分解是被广泛认为是最有前途的选择。”

他说，铱的成本大约是钌的八倍，它可能占商业设备制造费用的20%到40%，尤其是在未来的大规模部署中。

由Wang、Rice博士后助理Zhen-YuWu和研究生Feng-YangChen以及匹兹堡大学和弗吉尼亚大学的同事开发的过程在NatureMaterials中有详细介绍。

水分解涉及析氧和析氢反应，极化催化剂通过该反应重新排列水分子以释放氧和氢。“氢气是由阴极产生的，阴极是负极，”吴说。“同时，它必须通过氧化水在阳极侧产生氧气来平衡电荷。”

示意图显示了赖斯开发的使用镍掺杂钌催化剂的实验性水电解器。吴振宇插画

“阴极非常稳定，问题不大，但使用酸性电解质时，阳极更容易腐蚀，”陈说。“常用的过渡金属，如锰、铁、镍和钴，会被氧化并溶解到电解液中。

“这就是为什么在商业质子交换膜水电解器中使用的唯一实用材料是铱，”他说。“稳定了几万小时，但是很贵。”

为了寻找替代品，Wang的实验室选择了二氧化钌，因为它具有已知的活性，并在其中掺杂了镍，这是尝试过的几种金属之一。

研究人员证明，在阳极使用具有镍掺杂剂的超小且高度结晶的RuO2纳米粒子，在200毫安/平方厘米的电流密度下促进水分解超过1,000小时，而降解可忽略不计。

他们测试了他们的阳极与其他纯二氧化钌的阳极，后者在开始衰变之前催化水电解数百小时。

该实验室正在努力改进其钌催化剂以适应当前的工业流程。“现在我们已经达到了这个稳定性里程碑，我们面临的挑战是在保持这种稳定性的同时将电流密度至少增加5到10倍，”王说。“这是非常具有挑战性的，但仍有可能。”

他认为这种需求很紧迫。“铱的年产量无助于我们生产今天所需的氢气量，”王说。“如果我们希望通过水电解生产氢气，即使使用全球生产的所有铱，也根本不会产生我们需要的氢气量。

“这意味着我们不能完全依赖铱，”他说。“我们必须开发新的催化剂，以减少其使用或完全从工艺中消除。”