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太阳能高效制氢催化剂问世

太阳能高效制氢催化剂问世

武汉加油 共渡难关

作为清洁低碳、安全高效的燃料,氢将取代化石燃料成为人类未来的主要能源之一。2019年,“推动充电、加氢等设施建设”首次被写入我国《政府工作报告》,燃料电池“元年”拉开序幕。此外,制氢、储氢和运氢三大成本难题也有望在《新能源汽车产业发展规划(2021-2035年)》,以及即将出台的国家级氢燃料电池汽车专项规划中逐步得以解决。

从技术特点及发展趋势看,纯电动汽车更适用于城市、短途、乘用车等领域,而氢燃料电池汽车可能更适用于长途、大型、商用车等领域。目前,我国氢燃料电池汽车保有量超过6000辆,根据战略目标,2020年将达到10000辆,2030年有望增长到200万辆。

随着氢燃料电池汽车的推动发展,未来氢在船舶、无人机、数据中心等交通及储能、电力领域将有着巨大的应用潜能。而制氢成本的降低、效率的提升及低碳化将成为绿氢产业化应用的关键。传统的制氢方法中,通过化石燃料制取的氢占全球90%以上,需要消耗大量的能源,并排放二氧化碳加剧全球生态环境的恶化。太阳能制氢技术因低碳且成本下降潜力大而深受青睐,尤其是光解技术越过常用的电氢转化技术,使得氢制备进一步脱离了对二次能源的依赖。

目前,常用的太阳能制氢技术主要有电解、热解和光解法。为了寻找经济、高效、实用的太阳能制氢方法,各国学者们都在积极探索。据报道,美国HyperSolar正在开发的一种具有成本效益和变革性的光解制氢系统,试图通过光吸收材料、催化剂和系统工程的创新,以解决现有光电化学技术对耐久性的限制,进而提升氢气生产效率并降低系统成本。

前不久,澳大利亚几所大学联合发布了一项研究成果称:可以采用铁和镍等低成本催化剂,它们不仅可以加速水中氢氧分离的化学反应进程,还能降低此过程所消耗的能量。迄今为止,人们普遍认为“水分解”过程中的标准催化剂是贵金属钌、铂和铱,而这一发现证明了地球上现存丰富的铁和镍也可以取代此类贵金属材料,无疑降低了制氢的原料成本。

近日,美国俄亥俄州立大学研究人员首次开发出了一种可有效吸收阳光的催化剂,并能将太阳能快速有效地转化成为氢能。据称,该催化剂来源于贵金属铑,它可以从整个可见太阳光谱中吸收能量,并能充分利用太阳能并将其存储为化学能以备后用,其对太阳能的利用效率更可比当前提升50%左右。

该研究团队指出,新型催化剂可以使用来自太阳的光子并将其转化为氢。光子是包含能量的太阳光基本粒子,该催化剂从太阳光谱中收集的能量,包括从前很难收集到的低能量的红外光。该制备系统能够使分子处于激发态,在该状态下其吸收光子并能够存储两个电子以产生氢,这一过程既快速又高效。

据介绍,将两个电子存储在源自两个光子的单个分子中,一起使用以制得氢气,至今仍是首例。此前,大多数将太阳能转化为氢的试验都集中在紫外线等阳光中较高能量波上,且依赖于由两个或多个分子构成的催化剂,这些分子在利用太阳能发电为燃料时交换能量(即电子),但在这一交换过程中会产生能量的损失,进而降低整体利用效率。

在此次试验中,该研究团队尝试用一个分子(一种元素铑的形式)制造催化剂,这表示在交换过程中将损失更少的能量,并能够从整个可见光谱中收集能量。研究人员使用LED将光照射到含有活性分子的酸性溶液上,氢气随之便产生了。通过进一步试验验证,该系统在低能量的近红外光下的效率比以前利用紫外线光子的单分子系统高出了25倍左右。

诚然,这一发现有助于全球加快向可再生能源的过渡,但因为该催化剂来源于贵金属铑,其价格比较昂贵,目前并不便于大规模推广应用。因此,在该项研究成果切实落地之前,还有许多问题有待解决。据介绍,该研究团队接下来将努力尝试改善该催化剂以增加其使用寿命,同时极力寻找更为便宜的可替代材料,以进一步降低材料及系统成本,推进其产业化应用进程。

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