Аргоннские ученые из Чикаго создали низкий уровень

13 июня 2023 г.

Обильные запасы чистой энергии скрываются на виду. Водород может приводить в движение транспортные средства, не выделяя при этом ничего, кроме воды; это также важный химикат для многих промышленных процессов, особенно в сталелитейной промышленности и производстве аммиака.

В рамках борьбы с изменением климата ученые ищут недорогие методы производства водорода из воды для замены ископаемого топлива. Чтобы быть по-настоящему чистым, этот процесс должен осуществляться с использованием возобновляемых источников энергии.

Многоинституциональная группа во главе с Аргоннской национальной лабораторией, лабораторией Министерства энергетики США, связанной с Чикагским университетом, разработала недорогой катализатор для процесса получения чистого водорода из воды.

«Наши результаты открывают многообещающий путь вперед в замене катализаторов, изготовленных из дорогих драгоценных металлов, элементами, которые гораздо менее дороги и более распространены», — сказал автор исследования Ди-Цзя Лю, старший химик из Аргонны, который работает по совместительству в Притцкеровской школе. молекулярной инженерии в Чикагском университете.

Процесс расщепления воды на водород и кислород называется электролизом и существует уже более века.

Раньше для этого процесса требовалось много энергии. Но новое поколение технологий для этого процесса, известное как электролизеры с протонообменной мембраной, может работать с более высокой эффективностью при температуре, близкой к комнатной. Снижение спроса на энергию делает их идеальным выбором для производства чистого водорода с использованием возобновляемых, но непостоянных источников, таких как солнце и ветер.

Однако стоимость оставалась проблемой. В качестве одного из катализаторов этого процесса используется иридий, текущая рыночная цена которого составляет около 5000 долларов за унцию. Отсутствие поставок и высокая стоимость иридия представляют собой серьезное препятствие для широкого внедрения электролизеров PEM.

Команда смогла разработать новый катализатор, основным ингредиентом которого является кобальт, который значительно дешевле иридия.

«Используя катализатор на основе кобальта, приготовленный нашим методом, можно устранить основное препятствие, связанное с затратами на производство чистого водорода в электролизере», — сказал Лю.

Giner Inc., ведущая научно-исследовательская компания, занимающаяся коммерциализацией электролизеров и топливных элементов, оценила новый катализатор на своих испытательных станциях для электролизеров PEM в промышленных условиях эксплуатации. Производительность и долговечность намного превосходят катализаторы конкурентов.

Достижение команды является шагом вперед в инициативе Министерства энергетики по водородной энергетике Earthshot, которая имитирует «Лунный выстрел» американской космической программы 1960-х годов. Его амбициозная цель — снизить стоимость производства экологически чистого водорода до одного доллара за килограмм за десятилетие. Производство зеленого водорода по такой цене может изменить экономику страны.

Приложения включают электросеть, производство, транспорт, а также отопление жилых и коммерческих помещений.

Понимая механизм реакции на атомном уровне в рабочих условиях, ученые могут уточнить ее эффективность.

«Мы изобразили атомную структуру на поверхности нового катализатора на различных стадиях приготовления», — сказал Цзяньго Вэнь, ученый-материаловед из Аргонна.

Команда расшифровала критические структурные изменения, которые происходят в катализаторе в рабочем состоянии, с помощью рентгеновского анализа в Advanced Photon Source в Аргонне. Они также определили ключевые особенности катализатора с помощью электронной микроскопии в Sandia Labs и в Аргоннском центре наноразмерных материалов.

Усовершенствованный источник фотонов и Центр наноразмерных материалов являются объектами пользователя Управления науки Министерства энергетики США. Кроме того, компьютерное моделирование в лаборатории Беркли позволило получить важную информацию о долговечности катализатора в условиях реакции.

Цитата: «Кобальтшпинель, легированная La и Mn, катализатор выделения кислорода для протонообменного мембранного электролиза». Чонг и др., Science, 12 мая 2023 г. Финансирование: Управление энергоэффективности и возобновляемых источников энергии Министерства энергетики США, Аргоннская лаборатория исследований и разработок.