未來的燃料可能是氫——如果它能夠以足夠便宜的價格製成。目前,電解槽(將水分解為其組成成分氫和氧的機器)需要催化劑,即鉑,才能執行;燃料電池也需要使用鉑將氫與氧重新結合,從而產生電力。問題在於,這種貴金屬的成本約為每盎司1700至2000美元,這意味著除非找到成本較低的催化劑,否則氫將是一種不經濟的燃料來源。但來自麻省理工學院(M.I.T.)和澳大利亞莫納什大學的研究人員今天在《科學》雜誌上報告說,他們可能找到了一種具有成本效益的解決方案。
麻省理工學院太陽能革命專案的負責人、化學家丹尼爾·諾塞拉專注於方程式的一方面:將水分解為其組成成分氫和氧分子。雖然可以很好地完成分解,但實際分離分子仍然很困難。但諾塞拉和博士後研究員馬修·卡南發現,只需將金屬鈷和磷酸鹽新增到水中,並通上電流即可實現分離。與鉑相比,鈷和磷酸鹽的成本分別約為每盎司2.25美元和0.05美元。
諾塞拉說:“我們(已經)找到了一種方法,只需在常溫常壓下使用一杯水即可。” “這種東西[電極上的一層鈷和磷酸鹽薄膜]只是不斷地從水中製造[氧氣]。”
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新催化劑的靈感來自大自然;諾塞拉研究了光合作用過程中發生的一系列過程,例如植物如何利用陽光的能量來重新排列水的化學鍵。他設想,在未來的氫經濟中,房屋的功能將很像樹葉,利用太陽能為家庭供電,並將水分解為燃料——一種人工光合作用。
科羅拉多州戈爾登市國家可再生能源實驗室的研究員約翰·特納(未參與這項研究)表示,這項發現可以減少傳統電解槽對鉑的需求。他認為,它還可以在未來的大型氫氣發生器中發揮作用,這種發生器將在巨大的田野中收集陽光中的能量,然後讓電流透過水來產生大量的氫,以滿足例如未來氫動力汽車車隊的需求。“這就是他的進步所指向的,”他說,“找到一種替代催化劑,使我們能夠在大規模上進行氧氣釋放(打破水或H2O的鍵並形成氧氣),同時產生氫氣。”
但這仍然在方程式的另一方面留下了大量的鉑:燃料電池,它將氫和氧重新結合回水中以獲取電力。澳大利亞莫納什大學的化學家比約恩·溫特-延森和他的同事們透過開發由一種特殊導電聚合物製成的燃料電池新電極來解決這個問題,這種聚合物的成本約為每盎司57美元。
在實驗中,該聚合物在獲取電力方面證明與鉑一樣有效——並且這項工作可以立即應用於迷你燃料電池,例如正在為計算機設計的燃料電池。
為了使其在氫動力汽車或發電廠的燃料電池堆的大規模應用中發揮作用,“我們需要開發一種更具三維結構的結構,以獲得更厚的電極和更高的每平方釐米電流,”溫特-延森說。無論如何,透過減少或消除鉑,這兩項研究有助於為未來的氫經濟鋪平道路。