水中高效批量生产氢即将成为现实 比从天然气中提取更清洁、更可持续

根据俄勒冈州立大学工程学院以及康奈尔大学和阿贡国家实验室的研究人员一项新研究，从水中高效批量生产氢即将成为现实。

科学家们利用先进的实验工具，对电化学催化过程有了更清晰的认识，这种过程比从天然气中提取氢气更清洁、更可持续。研究结果发表在的《科学进展》杂志上。

氢存在于地球上各种各样的化合物中，最常见的是与氧结合生成水，它在科学、工业和能源方面发挥着许多作用。它也以碳氢化合物的形式存在，这是由氢和碳组成的化合物，如天然气的主要成分甲烷。

领导这项研究的俄勒冈州立大学化学工程教授Zhenxing Feng说：“氢的生产对我们生活的许多方面都很重要，比如汽车的燃料电池和许多有用的化学物质的制造，比如氨。”“它还被用于金属精炼，生产塑料等人造材料，以及一系列其它用途。”

根据美国能源部的说法，美国通过一种被称为蒸汽-甲烷重整的技术，从甲烷来源(如天然气)中生产大部分氢气。该过程包括将甲烷置于有催化剂的加压蒸汽中，产生氢气、一氧化碳以及少量二氧化碳的反应。

下一步是水气转换反应，一氧化碳和蒸汽通过不同的催化剂反应，产生二氧化碳和额外的氢气。在最后一步，变压吸附，二氧化碳和其它杂质被除去，留下纯氢。

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

半反应是氧化还原或还原-氧化反应的两个部分之一，其中电子在两个反应物之间转移；还原是得到电子，氧化是失去电子。

半反应的概念经常被用来描述电化学电池中发生的事情，而半反应通常被用来平衡氧化还原反应。过电位是理论电压和产生电解所需的实际电压之间的界限，电解是由电流驱动的化学反应。

“电催化剂是通过降低过电位来促进水分解反应的关键，但开发高性能的电催化剂远非易事。”Feng说，“主要的障碍之一是缺乏关于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的可持续性至关重要。”

Feng和合作者使用了一套先进的表征工具来研究最先进的OER电催化剂，铱酸锶(SrIrO3)在酸性电解质中的原子结构演变。

Feng说：“我们想了解它的活性是普通商业催化剂氧化铱的1000多倍，创历史新高的原因。”

“利用阿贡同步加速器x射线设备和OSU西北纳米技术基础设施的实验室x射线光电子能谱，我们在OER期间观察了SrIrO3的表面化学反应和晶体到非晶态的转变。”

这些观察使人们对铱酸锶能够如此出色地充当催化剂的原因有了更深的理解。

他说：“我们详细的、原子尺度的发现解释了活性铱锶层是如何在铱锶上形成的，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。”

Feng补充说，这项工作为应用电势如何在电化学界面促进功能非晶层的形成提供了洞见，并为设计更好的催化剂提供了可能性。