新能源技术:一节普通电池即可电解水

2014-8-25 20:36  0/5611  尔今     

近日美国斯坦福大学化学系教授戴宏杰(Hongjie Dai)和同事研发了一款廉价零排放的电解设备,这款设备利用1.5伏特的电池在室温下可将水分解成氢和氧。2015年美国消费者将能够从日本丰田公司和其他制造商那里购买到燃料电池汽车。尽管被誉为零排放汽车,大多数车辆都利用来自天然气,天然气这种矿物燃料将导致全球变暖。

现在斯坦福大学的科学家们研发了低成本零排放的设备,只要利用一节普通的AAA电池就可以通过水电解产生氢。电池会通过两个电极发送电流,导致水分解成氢和氧气。与其它利用宝贵的金属催化剂的水电解器不同,这款最新设备的电极是由成本并不昂贵且大量存在的镍和铁制成的。

“利用便宜的镍和铁,我们就能够使电催化剂足够活跃从而在室温环境下利用1.5伏电池分解水。” 戴宏杰教授说道。“这是首次利用不珍贵的金属催化剂在低电压下分解水,这非常不可思议,因为一般都需要昂贵的金属,例如铂金和铱来获得如此低的电压。”

除了产生氢,新的水分离器还能够用于制造氯气和氢氧化钠,后者是一种重要的工业化学物。戴教授和同事将这些最新发明发表在8月22日的期刊《自然通信》上。

汽车制造商一直都认为氢燃料是未来汽油发动机非常有前景的替代物。燃料电池技术本质上来说是逆向的水分解。一个燃料电池结合了存储的氢和空气中的氧以产生电,从而驱动汽车。唯一的副产品是水——这与汽油燃烧有所不同,后者会产生温室气体二氧化碳。

今年早期,韩国现代集团开始在美国南加州出售燃料电池汽车。日本丰田公司和本田汽车公司也将在2015年开始出售燃料电池汽车,大多数汽车将利用在大型工业厂房制造的燃料,这些燃料是通过结合非常炙热的蒸汽和天然气产生氢,这个能量密集的过程会释放二氧化碳作为副产品。

将水分解以制造氢并不需要化石燃料,也不会释放温室气体。但科学家们还未研发出可应用于工业规模的可行、活跃的水分离器和催化剂。“这是几十年一直追逐的目标,制造出低成本、高活跃性和长期耐久性的电催化剂。当我们发现基于镍的催化剂和铂金一样有效时,这完全出人意料。”

这一催化剂是由研究合作作者、斯坦福大学研究生龚明(Ming Gong)发现的。“明发现了一个镍金属/镍氧结构,它比纯镍金属或者纯镍氧都要更活跃。”戴教授说道“这种新颖的结构支持氢电催化,但我们仍然无法完全理解背后的科学。”

这种镍/镍氧催化剂极大的降低了分解水所需的电压,这将最终为氢制造商在电力成本方面节省几十亿美元,龚解释道。他接下来的目标是提高这一设备的持久性。“电极相对稳定,但它们仍然会随着时间的推移而缓慢衰减。基于我最近的结果,这一目标是可以实现的。”

研究人员还计划研发一个以太阳能产生的电驱动的水分解器。“氢是驱动车辆、建筑物和存储输电网里可再生能源的理想燃料,”戴教授说道。“我们非常庆幸能够制造一个活跃且低成本的催化剂。这显示了通过材料的纳米工程我们能够改变制造燃料和消耗能量的方式。”

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