低成本 可扩展的水分解为未来的氢经济提供了动力

“清洁能源经济”似乎总是在几步之遥，但从来没有在这里。运输，供暖，制冷和制造的大部分能源仍然使用化石燃料输入。但是，通过一些科学突破，氢是宇宙中最丰富的元素，可以成为未来清洁能源社会的能量载体。宾夕法尼亚州立大学和佛罗里达州立大学的科学家团队向难以实现的目标迈进了一步，开发出了一种成本更低，工业上可扩展的催化剂，通过低能量水分解工艺生产纯氢。

“能源是我们这个时代最重要的问题，对于能源而言，燃料电池至关重要。然后对于燃料电池来说，氢气是最重要的，”宾夕法尼亚州立大学博士候选人余磊和新论文的第一作者说。在ACS Nano中描述了她和她的同事在实验室中理论预测和合成的水分解催化剂。“人们一直在寻找一种能够有效地将水分解为氢气和氧气的良好催化剂。在此过程中，不存在对环境无害的副产品。”

甲烷蒸汽重整- -在释放CO的结果产生氢的当前工业方法2到大气中。其他方法利用废热，例如来自先进核电厂或集中太阳能的废热，这两者都面临商业上可行的技术挑战。另一种工业过程使用铂作为催化剂来驱动水分解过程。尽管铂是近乎完美的催化剂，但它也很昂贵。较便宜的催化剂可以使氢成为运输中化石燃料的合理替代品，并为能量储存应用提供动力燃料电池。

“二硫化钼(MoS2)已被预测为铂的可能替代品，因为吸收吉布斯的自由能接近于零，”宾夕法尼亚州物理，材料科学与工程和化学教授Mauricio Terrones说。吉布斯自由能越低，产生化学反应所需的外部能量就越少。

然而，实验上，使用MoS 2作为催化剂存在缺点。在稳定阶段，MoS2是一种半导体，它限制了它传导电子的能力。为了解决这个问题，该团队添加了还原的氧化石墨烯，一种高导电性的碳。然后，为了进一步降低自由能，他们将MoS2与钨合金化，形成具有交替的石墨烯和钨 - 二硫化钼层的薄膜。钨的添加降低了将水分解为一半所需的电压，从使用纯MoS2的200毫伏，到使用钨钼合金的96毫伏。

水分解过程使用非常少量的电能施加到浸入水中的电极。利用这个小电位，溶液中的质子可以被吸收到催化剂的表面上。然后两个质子将一起迁移形成氢气泡，该气泡上升到表面并释放氢气。

从理论的角度来看，电子轨道起着至关重要的作用。在纯MoS2的情况下，来自金属的轨道在关键反应步骤中与氢的轨道不能很好地重叠; 然而，当合金存在时，这些轨道相互作用很好并使反应更有效。这类似于铂的作用，以及铂在这种化学反应中如此节能的原因。然而，在这项工作中，研究人员表明，可以使用更便宜和更丰富的元素，并达到优于所有最佳催化剂的效率。

“在这些合金中发生的是轨道的精确重叠，这使得反应更加有效。这在纯组件中没有观察到。这是混合物比纯组分更好的例子，”Jose L. Mendoza-Cortes说。 ，佛罗里达州的化学工程，材料科学与工程和科学计算教授。

氢燃料电池不仅可以提高运输领域的清洁能源经济，其中快速加油和车辆范围超过电池供电的车辆，而且还可以存储太阳能和风能产生的电能。这项工作是实现这一目标的又一步。