发现更高效氢气生产的新途径

发现更高效氢气生产的新途径

氢气作为清洁能源，具有燃烧产物仅为水、可在高温下燃烧、生产原料仅需水等优点，但其生产成本高昂，阻碍了氢能经济的发展。近日，中德研究团队开发出一种新型自优化钴钨催化剂，性能会随着时间的推移而提高，为氢气的经济高效生产带来了新希望。同时，新加坡、中国和澳大利亚的研究人员也开发出一种将城市污泥转化为氢气和动物饲料的新方法，为废物资源化利用提供了新思路。

寻找合适的氢催化剂

从理论上讲，氢气可以成为储存能量和为难以电气化的应用提供动力的完美燃料。这是因为它具有一些近乎理想的特性：

• 其燃烧的副产品只是水
• 当它用于燃料电池发电时，也会有同样的效果
• 它可以在极高的温度下燃烧，使其成为冶金、化学过程等领域中天然气的良好替代品
• 它的生产只需要水作为资源
• 氢气本身无毒、无污染

然而，以经济高效的方式生产氢气的困难阻碍了氢能经济的崛起。这是因为大多数绿色氢气（由绿色能源生产）是通过电解制成的，而目前这一过程主要基于昂贵的催化剂，如铂、钌或铱，这些金属都非常稀有且昂贵。

因此，只要没有更好的氢气生产方法，我们就不太可能看到它大规模取代化石燃料。幸运的是，这种情况正在迅速改变。我们之前讨论过其中几种可能性，尤其是将塑料废物转化为氢气使用 作为替代催化剂，或使用钛和镍废金属 金属零件制造过程中产生的金属屑。研究人员现在正在添加一些较新的选项。

第一是创造自我优化的催化剂1 由约翰内斯·古腾堡大学（德国）、达姆施塔特工业大学（德国）、马克斯·普朗克聚合物研究所（德国）、哈尔滨工业大学（中国）和山东大学（中国）的研究人员撰写。该论文发表于Angewandte Chemie 在标题之下 ”自优化氧化钴钨电催化剂在碱性介质中增强氧气释放设立的区域办事处外，我们在美国也开设了办事处，以便我们为当地客户提供更多的支持。“

第二项是发明一种将污水污泥转化为绿色氢气和动物饲料的方法2 由南洋理工大学（新加坡）、莫纳什大学（澳大利亚）和香港大学（中国）的研究人员撰写。该论文发表于天然水 在标题之下 ”太阳能驱动的污水污泥电重整与生物漏斗相结合，联产绿色食品和氢气“。

固定氢催化剂

所有产氢催化剂都会反复出现一个问题，那就是它们会随着时间的推移而降解。这可能是由于活性金属上形成了沉积物，或者金属层本身在每个催化循环中慢慢降解并失去成分。

对于昂贵的铂族金属催化剂来说，这尤其成问题，但对于其他类型的金属基催化剂来说，这也是一个问题。

因此，重要的是，本文讨论的第一项研究中的德国和中国研究人员已经观察到新催化剂的自我优化行为。

“我们的催化剂的独特之处在于，它的性能实际上会随着时间的推移而提高，而传统催化剂要么以恒定的速率保持其性能，要么甚至会因为不够耐用而失去部分性能。”

Dandan Gau 博士 – 美因茨约翰内斯古腾堡大学研究负责人

钴钨催化

解决氢气生产瓶颈

研究人员专注于所谓的 3d 到 5d 过渡金属氧化物，其配方为混合金属。

在两种最常见的电解槽设计（AEM 和 PEM 电解槽）中，它们能够进行一种称为氧析出反应 (OER) 的化学反应，该反应是水电解成氢过程中发生的反应的一半。

“水分解过程中有两个反应。氢析出反应 (HER) 会产生氢气，而氧析出反应 (OER) 会产生氧气。OER 是整个反应的瓶颈。这就是为什么我们如此致力于开发一种可以促进 OER 半反应的催化剂。”

Dandan Gau 博士 – 美因茨约翰内斯古腾堡大学研究负责人

然而，人们对这些新型潜在催化剂的理解仍然不够，人们对反应过程中原子水平上究竟发生了什么，甚至金属所呈现的电化学形式知之甚少。

缺乏理解对于开发商业上可行的解决方案来说是一个很大的障碍，因为它也限制了将催化剂锚定到稳定基质上的能力。

一步存款方式

研究人员使用直径为 3-5 微米的氧化铜（L-CuO）微花基质，2020 年在他们的实验室中开发.

然后他们采用化学沉积法在铜基材表面形成一层钴钨合金。

后续分析利用X射线光电子能谱（XPS）、衰减全反射傅里叶变换红外（ATR-FTIR）光谱和拉曼光谱测量揭示了该材料复杂的微观结构。

这也证实了催化剂与铜基底的结合非常牢固。

“开发可行且可扩展的沉积方法具有极其重要的技术、经济和生态意义，能够将 OER 预催化剂稳定地锚定在具有高机械完整性的选定有前景的基底上”

来源:Angewandte Chemie

自我优化催化剂

通过这些极其详细的观察，科学家们发现钴离子从钴2+形成 Co3+与此同时，钨离子也从W5+形式移动到W6+形式。

因此，随着时间的推移，催化剂的电化学活性部分从钨活性位点转移到钴活性位点。

催化剂的表面亲水性或吸引水（氢气生成的燃料）的能力也会发生变化：随着时间的推移，它变得更加亲水性。

“总体而言，我们记录到过电位明显降低、电流密度增加，同时 OER 动力学也大幅提高。这对未来的氢气生产来说都是好消息。”

Dandan Gau 博士 – 美因茨约翰内斯古腾堡大学研究负责人

这应该是使过渡金属氧化物成为可行的氢气生产催化剂的重要一步。

这不仅证明科学家团队已经开发出可用于催化剂的铜基底，而且表明这种催化剂具有超稳定性，甚至会随着时间的推移而改善。

它还提供了理论框架来评估其他过渡金属组合的潜力，这些组合目前还没有像钴钨那样被充分理解。

不需要催化？

处理城市污泥

与此同时，氢气生产也可以从城市产生的大量废物流中开始。这至少是新加坡、中国和澳大利亚研究人员探索的概念。

他们专注于污水污泥，这是清洁废水产生的有毒副产品。这些污泥由于结构、成分复杂，且含有重金属和病原体等污染物，因此很难处理和处置。

全球每年产生超过100亿吨的污水污泥，常见的处理方式包括焚烧或填埋，既耗时又耗能，还会造成环境污染。

相反，它可以同时成为动物饲料和氢气的来源。

将污泥转化为资源

研究人员开发了一种处理污泥的三步工艺。

首先，他们用机械方法将污泥分解成液体，然后通过化学处理从有机物中去除重金属。

接下来，他们利用电化学过程，使用专门的电极将有机材料转化为有价值的产品：乙酸和氢气。

最后，他们喂养一种能够利用光的细菌（蓝藻）培养物，将剩余的有机物转化为适合动物饲料的单细胞蛋白质。

第二步和第三步都是直接（就细菌而言）或间接（就电化学处理而言）利用太阳能电池板，由阳光提供动力。

这使得整个污泥回收过程完全无碳，实际上实现了碳负排放，因为它避免了污泥正常处理过程中的碳排放，并取代了其他基于化石燃料的乙酸、氢气和动物饲料来源。

氢气可作为清洁能源，乙酸是食品和制药工业的关键成分。

高效率

该方法已被证明可以回收污水污泥中91.4%的有机碳，并将63%的有机碳转化为单细胞蛋白质。

这比传统的厌氧消化要高得多，传统的厌氧消化通常可回收并转化污水污泥中约 50% 的有机物。

总体而言，与传统方法相比，这可减少 99.5% 的碳排放量和 99.3% 的能源使用量。

“我们希望我们提出的方法能够展示可持续管理废物的可行性，并改变人们对污水污泥的看法——从废物转变为支持清洁能源和可持续粮食生产的宝贵资源。”

南洋理工大学研究员赵虎博士

除了高效率之外，它还能净化污泥中的重金属，而通常的处理方法中重金属往往会污染垃圾填埋场。

这种新方法表明，世界废水处理方式的革命是可能的，可以去除重金属（也许是为了以后回收利用？）和同时生产有用的乙酸、氢气和动物饲料。

结语

氢经济很可能是一个由各种氢源组成的复杂网络。

最有可能的是，一种是先进的催化剂，它无需昂贵的稀有金属，就能将水电解成氢。这将使氢的成本足够低，使其成为化石燃料和其他绿色替代品的经济上可行的竞争对手。

另一个可能的来源是更好地利用农业、废水和其他人类活动产生的数百万吨废物。由于这些废物无论如何都需要处理，因此我们最好开始以去除污染物（如重金属）并创造新的有用产品的方式处理它们。

如果完全依靠太阳能供电就更好了。