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新型制氫催化劑將銥的使用量減少了80%

文章來源：新能源網更新時間：2025-10-16 15:33:42

　　該材料可保持1500小時的工業性能，解決了綠色氫氣生產的主要成本和供應鏈挑戰。

　　在脫碳競賽中，氫已經成為一種很有前途的清潔燃料。但是，盡管它有潛力為工業和無排放的運輸提供動力，但可持續的氫生產面臨著一個主要障礙——高成本和銥的稀缺。

　　萊斯大學（Rice University）的研究人員已經開發出一種新的催化劑，可以將質子交換膜（PEM）電解槽中的銥用量減少80%以上。

　　這一突破可能會使綠色氫生產變得更加實惠和可擴展。

　　萊斯大學化學與生物分子工程副教授Haotian Wang說：“這是使綠色氫更容易獲得和擴展的重要一步，通過將銥的使用量減少80%以上，我們正在解決氫經濟中最大的經濟和供應鏈瓶頸之一。”

　　目前的PEM電解槽嚴重依賴于銥，銥是少數幾種能夠承受水分解的惡劣酸性環境的金屬之一。但銥是地球上最稀有的元素之一，每克價格約為160美元。

　　Wang說：“如果不減少銥的消耗，僅電解槽的預計需求就可能超過全球年供應量的75%。如果我們認真考慮擴大氫氣生產，這根本是不可持續的。”

　　為了解決這個問題，萊斯大學的研究小組設計了一種催化劑，將銥原子嵌入氧化釕晶格中，而不是覆蓋在表面。

　　他們與迪諾拉技術公司（De Nora Tech）合作，利用密度泛函理論和蒙特卡羅模擬來預測最佳的原子排列。

　　萊斯大學化學與生物分子工程副教授托馬斯·森特爾說：“我們的模擬顯示，地下層中的銥原子起著關鍵作用。它們有助于保護上面的釕原子在極端的電化學條件下不溶解。”

　　該團隊合成了一種名為Ru?IrO?的材料，其特點是釕和銥的比例為6:1。它能維持每平方厘米2安培的工業級電流密度，持續超過1500小時，且退化最小。

　　森特爾說：“關鍵是實現銥在氧化釕結構中的均勻分布，這種均勻性促進了穩定性，因為銥有助于穩定氧化物晶格中鄰近的釕原子。”

　　迪諾拉技術公司的工業測試證實了催化劑的性能。在一個25平方厘米的PEM電解槽中，萊斯設計的催化劑在使用一小部分金屬的情況下與純銥系統的活性相匹配。

　　Wang說：“我們的研究結果表明，我們不需要富含銥的催化劑來實現耐久性。這為大規模生產具有成本效益的高性能PEM電解槽打開了大門。”

　　經濟和科學影響經濟分析發現，用Ru?IrO?代替標準氧化銥可使陽極催化劑成本降低80%以上。這種設計還減少了受銥價格波動影響的風險。

　　除了成本之外，這項研究還為催化劑工程提供了一個新的思路——從內部穩定材料，而不是涂上保護層。

　　森特爾說：“這項工作強調了理論和實驗是如何攜手合作的。通過將原子尺度模擬與嚴格的實驗測試相結合，我們已經能夠確定少量銥是如何穩定整個氧化晶格的。”

萊斯大學（Rice University）鳥瞰

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