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新型催化剂点亮氢能储放未来

本报记者 王海滨 通讯员 沈 佳
2018-06-02 14:00:10

  情报所

  近日,中科院煤化所与国内多家科研机构合作,采用铂-碳化钼双功能催化剂实现对水和甲醇的高效活化,在低温下获得了极高的产氢效率。此催化体系有望作为下一代高效储放氢新体系得到应用。

  氢能是一种公认的高热值清洁能源,高位发热值是汽油发热值的3倍,也被称为“能源货币”。氢燃料电池是当前最具潜力的新一代氢能利用系统,被认为是未来汽车以及其他便携设备重要的候选动力系统。然而,氢气存储和输运技术一直没有关键的突破,这也成了氢能源大规模应用的瓶颈。

  中国科学院山西煤化所煤转化国家重点实验室研究员温晓东指出,从技术上来说,直接储氢是最简便的解决方案,但由于氢气易燃易爆,化学性质活泼,容易泄漏,该方法的安全性并不容乐观。另外,高压加氢站建设所需的高成本以及安全隐患也限制着直接储氢燃料电池汽车的发展。

  因此,将氢气以化学能的形式储存于稳定的液体燃料中,通过催化反应原位释放氢气供应燃料电池使用,被认为是一种行之有效的间接储氢途径。甲醇具有单位体积储氢量高、活化温度低、副产物少以及价廉易得等诸多优点,是理想的液体储氢平台分子。

  温晓东课题组发现,金属铂与碳化钼基底之间存在着非常强的相互作用,使得铂以原子级分散在碳化钼纳米颗粒表面,构筑出高密度的原子尺度催化活性中心。单分散铂主要负责甲醇的解离过程,而碳化钼主要负责水的解离过程,重要的是这两个催化过程的反应速率相近,进而形成了高效的双功能催化体系。

  这个体系使得整个催化剂在甲醇和水液相反应中表现出超高的产氢活性,在150摄氏度就能以2276 molH2/(molPt*h)的反应速率释放氢气,进一步提高温度至190摄氏度,可较传统铂基催化剂活性提升近两个数量级。同时,原子级分散的特点能最大限度地提高贵金属铂的利用率,以产氢活性估计,仅需含有6克铂的该催化剂即可使产氢速率达到1 kgH2/h,即达到基本满足商用车载燃料电池组的需求。

  温晓东课题组与北京大学、中国科学院大学、大连理工大学课题组合作,针对甲醇和水液相制氢反应的特点,从实验设计出发,结合理论计算开发出新型原子级分散的铂—碳化钼双功能催化剂,实现了在低温下(150—190摄氏度)高效的产氢效率。此外,研究团队还在水煤气变换产氢过程(CO+H2O=CO2+H2)中突破了低温条件下高反应转化率与高反应速率不能兼得的难题,发展出新一代催化过程。该研究成果已发表在国际著名学术期刊《自然》上,并入选2017年中国科学十大进展。

  温晓东表示:“我们的研究工作为含碳资源高效清洁转化利用提供了新的方向,实现了从含碳资源到无碳能源的高效温和转化,为氢能制备、存储及安全利用提供了新的思路,希望能在下一代高效储放氢新体系得到应用。”

来源:科技日报
编辑:蔺凯伊

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