【大纪元2023年06月13日讯】（大纪元专题部记者吴瑞昌编译报导）科学家希望从再生水提取氢气用于发电，但电解槽在分解水时使用的催化剂不仅含贵重金属，且容易在使用过程出现损耗，这无异于增加提取氢气的成本。对此，美国国家团队研究出一种便宜的催化剂，降低了制氢的成本。
氢气不仅为车辆和船只等提供动力，还能为民生和工业提供一定的电力。氢气经过燃烧，只会产生单纯的水，对环境无污染。另外，氢气也是炼钢和生产氨气的重要化学材料，而这些行业都需要使用纯净的氢气。
美国能源部（DOE）阿贡国家实验室、美国桑迪亚国家实验室（SNL）、劳伦斯伯克利国家实验室（LBNL）和吉纳（Giner）公司团队共同开发一种含钴（Co）金属的低成本催化剂，该催化剂可以用于质子交换膜（PEM）电解槽上。这一研究成果今年5月发表在《科学》杂志上。
PEM（Proton Exchange Membrane ，质子交换膜）又称“高分子电解质膜”，主要是用于交换膜燃料电池的膜，是一种离子聚合物的半透膜，可以隔绝氧或氢，起到分离反应物及传导质子的功效。
在接近室温的条件下，PEM电解槽的每个电极（阴极和阳极）都使用单独的催化剂运行，并以更高的效率将水分解为氢气和氧气，而阴极催化剂产生氢气，阳极催化剂形成氧气。
由于PEM电解槽拥有更低的电阻损耗、更低的能源需求、更小的体积设计等优点，让它成为市场生产氢气的新宠儿。
不过，PEM电解槽的缺点是离不开贵金属。市面上的PEM阳极催化剂，使用铂（白金）系列的贵金属铱（Ir），因为铱可以在极端条件下依然保持很高的强度，但铱的市场价格每安士大约5,000美元。在铱高成本和市场供应不足的情况下，导致使用PEM电解槽制造的氢和氧价格不够亲民。
这次科学家研发的新催化剂，主要成分是钴和少许的镧（La）和锰（Mn）金属，形成稳定的钴氧化物，并编入经过静电处理的纺丝形成LMCF（多孔钴尖晶石纤维）。该LMCF不仅达到电催化析氧反应（OER）的基本要求，里面的金属容易取得且价格远比铱便宜，还能在强酸的环境中稳定工作。
为了解镧、锰和钴形成的氧化物LMCF在解电解槽中的反应机制。他们透过阿贡实验室的X射线衍射（XRD）结合扫描电子显微镜（SEM），对LMCF进行X射线光谱（EDX）结构分析，破译该催化剂在操作条件下发生的关键结构变化。
科学家透过X射线光电子能谱（XPS），去观察LMCF的电子构型和配位结构。他们发现电子出现能量的跃迁和锰（Mn）替代部分的钴（Co）离子（Co3+），并镶入氧化钴内，而锰离子（Mn3+）增强了LMCF在酸中的OER活性。
该团队将LMCF放入过氯酸（HClO4）去评估LMCF的OER催化活性，以更好地了解掺杂镧（La）和锰（Mn）对LMCF的影响。他们拿含Co3O4的纤维（CF）掺杂进镧形成LCF、商用Co3O4和纯铱（Ir）进行活性上的比较。
结果显示，CF在添加锰（Mn）和镧（La）后OER活性有逐步改善，而LMCF催化剂产生的性能，超过商用Co3O4和接近单纯的铱（Ir）。
另外，在测试中只有极少部分的钴（Co）、锰（Mn）和镧（La）离子损失，但几乎不影响催化剂的活性，因此科学家推测可能LMCF上松散的氧化物被释放出来。
该团队在工业操作条件下将LMCF放入PEM电解槽进行评估测试，发现其性能和耐用性都远远超过其它的催化剂，这有助于降低生产成本。
阿贡高级化学家刘迪佳（Di-Jia Liu，音译）博士对阿贡国家实验室的新闻室表示，“我们要在PEM电解槽中开发一种低成本的阳极催化剂，以高通量产生氢气，同时消耗最少的能量。通过使用我们的方法制备的钴基催化剂，可以解决PEM电解槽生产氢气的成本（过高）这一瓶颈。”
他还表示，“简单来说，我们的团队在制氢上开辟了一条更有前途的道路，让更便宜、更丰富的元素，取代贵金属制成的催化剂。”
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