科學家開發無鉑催化劑，有望大幅降低綠氫生產成本

科學家開發無鉑催化劑，有望大幅降低綠氫生產成本

研究人員已成功開發出一種不含鉑族金屬的催化劑，能夠透過水電解技術產生潔淨氫氣，這項發現可望消除綠色氫氣生產中最頑固的成本障礙之一。

這項研究的核心是一種新型催化材料，旨在取代銥、釕與鉑等鉑族金屬。目前這些貴金屬大幅推高了潔淨氫氣系統中所使用的質子交換膜（PEM）電解槽成本。

氫氣電解中的「鉑問題」

PEM 電解槽透過固態聚合物膜通電，將水分子分解為氫氣與氧氣。這個製程效率高且結構緊湊，但陽極端的催化劑必須承受高度酸性、強氧化的環境條件——這種環境會在數小時內摧毀大多數非貴金屬。

鉑族金屬能承受這些嚴苛條件，但它們在地質上極為稀缺且開採成本高昂，使其成為大規模氫能部署的供應鏈弱點。單一電解槽堆疊即可能需要數克的銥，而全球每年銥的產量僅有數噸。

根據研究人員的報告，這款新型催化劑在同樣的酸性、高電壓條件下仍能維持穩定性，同時僅依賴較為豐富的過渡金屬。研究團隊表示，該材料在長時間測試中展現了持久的性能表現，不過尚未發表在工業運行條件下的獨立長期驗證結果。

催化劑的運作原理

該材料在奈米尺度上進行工程設計，以最大化活性表面積——即催化劑中實際與反應物接觸的部分。透過結構化催化劑使每克材料暴露更多活性位點，研究人員表示可在不使用傳統設計所需的鉑族金屬負載量的情況下，達到具有競爭力的氧氣釋放反應（OER）性能。

OER 是陽極端的電化學步驟，水在此被氧化並釋放出氧氣、質子與電子。這通常是水分解反應中的速率限制步驟，也是腐蝕最為劇烈的半反應，這正是銥數十年來始終被視為預設材料的原因。

研究人員聲稱，新型催化劑的結構設計能抵抗溶解與結構降解——這兩種失效模式過去一直是非貴金屬替代品無法商業化的主要原因。

放大生產與待解決的不確定性

實驗室電化學性能並不能自動轉化為商業電解槽堆疊的成果，因為商業環境的溫度、壓力與電流密度條件更為嚴苛。從實驗台規模結果到百萬瓦級部署之間的差距，已經淘汰了多位先前宣稱可「取代鉑」的候選材料——它們在測試中表現良好，卻在實際運轉負載下迅速降解。

製造一致性是另一個值得關注的問題。奈米尺度的催化劑結構往往對合成條件極為敏感，隨著生產規模擴大，批次間的再現性難以控制。研究人員也坦承，需要進一步的研究來驗證該材料在受控實驗室環境之外的可行性。

綠色氫氣的成本降低還取決於催化劑材料以外的諸多因素，包括電價、電解槽堆疊壽命以及周邊設備工程。美國工程師已在探索以 3D 列印渦輪機開發額外的水力發電能力，以提供低成本再生能源電力，使電解氫氣在大規模生產下具有經濟可行性。

對無人機產業的潛在影響

氫燃料電池是無人機產業延長飛行時間的重要技術方向之一。若這項無鉑催化劑技術最終能夠成功商業化，將有望降低綠色氫氣的生產成本，進而使氫燃料電池無人機的運營成本更具競爭力，特別是在長航時巡檢、物流配送等應用場景中，更低成本的氫氣供應將帶來顯著的產業優勢。

若催化劑的耐久性在獨立測試中獲得驗證，且合成製程能夠可靠地放大生產，將有望實質降低 PEM 電解槽的資本成本——這正是氫能產業在各國政府與能源企業積極建設氫能基礎設施之際，長期以來努力追求的目標。下一步是在商業堆疊條件下運行的全電池電解槽組件中進行驗證。

此研究最初由 Science Daily 發表報導。

原文來源： 查看原文