研究人员朝着更清洁、更可持续的氢生产迈出了关键的一步

来源：俄勒冈州立大学，Steve Lundeberg

科瓦利斯，俄勒冈州——由于俄勒冈州州立大学工程学院的研究人员和康奈尔大学的合作者以及阿贡国家实验室的合作，从水中高效大量生产氢气更接近成为现实。

科学家们利用先进的实验工具，对一种比从天然气中提取氢气更清洁、更可持续的电化学催化过程有了更清晰的认识。

这些发现发表在2021年1月8日的《科学进步》杂志上。

氢存在于地球上各种各样的化合物中，常见的是与氧结合生成水，它具有许多科学、工业和能源相关的作用。它也以碳氢化合物的形式出现，碳氢化合物由氢和碳组成，如甲烷，天然气的主要成分。

领导这项研究的俄勒冈州化学工程教授冯振兴（音译）说：“氢气的生产对我们生活的许多方面都很重要，比如汽车燃料电池和氨等许多有用化学品的制造。”。它还被用于金属精炼、塑料等人造材料的生产以及一系列其他用途。

根据美国能源部的说法，美国大部分氢气都是从天然气等甲烷来源通过一种称为蒸汽甲烷重整的技术生产的。这个过程包括在催化剂的作用下将甲烷置于加压蒸汽中，产生一种反应，产生氢气和一氧化碳以及少量二氧化碳。

下一步称为水煤气变换反应，其中一氧化碳和蒸汽通过不同的催化剂反应，生成二氧化碳和额外的氢气。再下一步是变压吸附，除去二氧化碳和其他杂质，留下纯氢。

冯说：“与天然气重整相比，利用可再生能源发电分解水制氢更清洁、更可持续。”。然而，水分解的效率很低，主要是由于过程中一个关键的半反应（析氧反应）的高过电位（电化学反应的实际电位和理论电位之间的差异）

半反应是氧化还原或还原氧化的两部分之一，其中电子在两个反应物之间转移；还原指获得电子，氧化指失去电子。

半反应的概念经常被用来描述电化学电池中发生的事情，半反应通常被用作平衡氧化还原反应的一种方法。过电位是导致电解所需的理论电压和实际电压之间的差值，电解是由电流驱动的化学反应。

冯教授说：“电催化剂对于通过降低过电位来促进水分解反应至关重要，但开发高性能的电催化剂远不是一件容易的事。”。其中一个主要的障碍是缺乏有关电化学操作过程中电催化剂结构演变的信息。了解OER期间电催化剂的结构和化学演变对于开发高质量的电催化剂材料以及能源可持续性至关重要。”

冯和他的合作者使用了一套先进的表征工具来研究先进的电催化剂铱酸锶（SrIrO3）在酸性电解质中的原子结构演化。

“我们想了解其创纪录的OER高活性的来源——比普通的商业催化剂氧化铱高1000倍，”冯说。“利用阿贡的同步加速器X射线设备和奥斯大学西北纳米技术基础设施基地的实验室X射线光电子能谱，我们观察到了在OER过程中SrIrO3的表面化学和晶态到非晶态的转变。”

这些观察结果使我们对铱酸锶作为催化剂如此有效的背后所发生的事情有了深刻的理解。

他说：“我们详细的原子尺度的发现解释了活性铱酸锶层是如何在铱酸锶上形成的，并指出了晶格氧活化和耦合离子扩散对活性OER单元形成的关键作用。”。

冯补充说，这项工作提供了应用电位如何促进在电化学界面上形成功能性无定形层的见解，并为设计更好的催化剂提供了可能性。

与冯合作的有化学工程教授格雷戈里·赫尔曼（Gregory Herman），他是俄勒冈州国家科学基金会资助的西北纳米技术基础设施项目的负责人，还有特雷·迪乌卢斯（Trey Diulus），他曾是OSU的博士生，现在是瑞士苏黎世大学的博士后研究员。

比利时天主教鲁汶大学、中国科技大学和休斯顿大学的研究人员也参与了这项研究。

美国能源部与NSF一起，支持了这项研究。

原文链接：https://today.oregonstate.edu/news/oregon-state-researchers-take-key-step-toward-cleaner-more-sustainable-production-hydrogen

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