新加坡研發(fā)低成本催化劑 提升制氫的效率

　據外媒報道，新加坡南洋理工大學(xué)（NTU）的一組科學(xué)家發(fā)現一組參數，可以決定低成本催化劑尖晶石氧化物效率，這一發(fā)現打破了利用電解（用電分解水）從水中提取氫所遇到的瓶頸。

　　電解水制氫的主要挑戰在于，在電解水化學(xué)反應中，會(huì )出現能量損失，從而會(huì )提高水分解產(chǎn)氫的成本，因此，需要利用催化劑來(lái)加速此類(lèi)化學(xué)反應。

　　尖晶石氧化物通常由廉價(jià)的過(guò)渡金屬制成，近年來(lái)，成為一種穩定、低成本的催化劑，引起了人們的興趣。但是，由于缺乏對尖晶石氧化物工作原理的了解，高性能尖晶石氧化物的設計工作受到了阻礙。

　　現在，新加坡南洋理工大學(xué)的副教授Jason Xu Zhichuan和團隊已經(jīng)取得兩項重要進(jìn)展，從原子角度了解了尖晶石氧化物可以如何加速水電解產(chǎn)氫。有了這一新認識之后，研究小組利用機器學(xué)習選擇催化活性得到增強的新款尖晶石氧化物，讓電解水更高效。

　　此類(lèi)發(fā)現也讓該團隊得以進(jìn)一步找到合適的水分解方法，以大規模制氫。而且利用風(fēng)能或太陽(yáng)能等可再生能源提供動(dòng)力，從電解水中提取氫氣也是生產(chǎn)氫燃料電池的一種好方法。而氫燃料電池可以取代發(fā)電廠(chǎng)、運輸工具和燃料補給使用的化石燃料。

　　此外，氫氣還可以取代鋰離子電池等傳統儲能設備，因為鋰離子電池會(huì )隨著(zhù)時(shí)間推移漸漸失去電量。

　　在電解槽中進(jìn)行水電解時(shí)會(huì )發(fā)生兩種主要的化學(xué)反應：一種是制氫的反應，另一種是制氧的反應，而且兩種氣體會(huì )被一種薄膜隔開(kāi)。研究人員表示，水電解的發(fā)展瓶頸主要在于制氧反應，會(huì )導致析氧反應。

　　雖然析氧反應對分解水制氫燃料非常重要，但是這是一個(gè)緩慢的化學(xué)過(guò)程，會(huì )降低整體的能量轉換效率，因而需要金屬氧化物等催化劑來(lái)加快反應速度。雖然貴金屬氧化物已被證明是最先進(jìn)的催化劑，可以降低能源消耗、提高能源轉換效率，但是儲量少、成本高、耐久性差等特點(diǎn)限制其得到大規模應用。

　　不過(guò)，尖晶石氧化物成本低、儲量大，如果設計成含有正確的參數，如設置好尖晶石氧化物中過(guò)渡金屬的類(lèi)型，以增加其催化活性，就可以成為一種可行的替代品。

　　根據該團隊已經(jīng)確定的關(guān)鍵參數，該團隊訓練了一個(gè)機器學(xué)習模型，模型中包含300多個(gè)尖晶石氧化物數據集，可在幾秒鐘內預測任何尖晶石氧化物催化劑的效率。采用此種方法，該團隊發(fā)現一種由錳和鋁構成的新型氧化物被模型預測會(huì )顯示出優(yōu)越的催化活性，并在實(shí)驗中得到了驗證。