能源行业的游戏规则改变者-利用铁锈和有机废物生产氢燃料

时间:2020-03-30 21:02 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

能源行业的游戏规则改变者-利用铁锈和有机废物生产氢燃料

科学家们发现了一种新的、有效的方法,利用从有机废液中提取氢的催化剂。在万物之中;生锈。

在今天关于气候变化、污染和资源减少的叙述中,有一种燃料可能会改变能源行业的游戏规则:氢。当在内燃机或发电厂燃烧时,氢燃料只产生水——这使它比我们现在的化石燃料要清洁得多。没有有毒气体的产生,没有对气候变化的贡献,也没有烟雾,氢可能是未来更清洁能源的答案,那么为什么它没有得到更广泛的应用呢?

这有两个原因。首先,氢是高度易燃的,储罐极易泄漏,在储存和运输过程中会造成潜在的爆炸危险。第二,虽然地球上天然存在纯氢,但其数量不足以进行经济有效的利用。氢原子必须从甲烷或水等分子中提取,这些分子需要大量的能量。尽管存在几种生产氢燃料的技术,但科学家们尚未使这一过程变得有效。足以使氢成为能源市场上具有商业竞争力的燃料。在实现这一目标之前,化石燃料可能将继续主导该行业。

几十年来,科学家们一直致力于寻找一种廉价、高效、安全的方法来生产氢燃料。最有希望实现这一目标的方法之一是通过太阳能驱动过程,利用光加速(或催化)水分子分裂成氧气和氢气的反应。上世纪70年代,两位科学家描述了本田-藤岛效应(Honda-Fujishima effect)。在这项研究的基础上,由东京科学大学(Tokyo University of Science)的胜俣场贤一(Ken-ichi Katsumata)教授领导的一组日本研究人员,试图使用一种更便宜、更容易获得的半导体催化剂来催化这种反应,以期进一步提高其效率,降低氢燃料的生产成本和安全性。他们的研究发表在《化学》杂志上:一份欧洲杂志指出,使用一种叫-FeOOH的铁锈,在同一光线下,氙灯照射产生的氢气是二氧化钛催化剂的25倍。

胜俣场教授及其同事进行的这项实验,旨在解决在太阳能驱动制氢过程中使用半导体催化剂所面临的常见挑战。作者描述了三个主要的障碍。首先是催化剂材料需要适合光能的使用。二是目前使用的大多数光催化剂都要求稀有或高贵。金属作为助催化剂,价格昂贵且难以获得。最后一个问题产生于氢气和氧气的实际生产。如果不直接分离,这两种气体的混合物最多可以减少氢燃料的输出,最坏的情况下,会引起爆炸。因此,他们的目标是找到一种既能提高反应效率,又能成功防止氢和氧重新耦合并产生潜在危险的解决方案。

该团队在-FeOOH(或rust)中发现了一种有希望的候选催化剂,并开展了一项实验,以评估其制氢效率,并确定其活化的最佳实验条件。我们对使用这种催化剂产生氢气感到非常惊讶。Katsumata教授指出,因为大多数的氧化铁还不能还原成氢。随后,我们寻找激活-FeOOH的条件,发现氧是一个不可或缺的因素,这是第二个惊喜,因为许多研究表明,氧通过捕获被激发的电子来抑制氢的生成。研究小组利用气相色谱-质谱联用技术证实了水-甲醇溶液制氢的机理。方法表明,feooh的活性是之前研究中使用的二氧化钛催化剂的25倍,支持400小时以上的稳定制氢!

需要更多的研究来优化这一过程。胜俣教授详细阐述了:氧气在激活光诱导的-FeOOH中的具体功能还没有被揭示。因此,探索这一机制是下一个挑战。目前,胜俣恒久和他的同事的这些发现代表了清洁、零排放能源生产的新进展,这将是未来可持续社会的核心!

参考文献:由光诱导的FeOOH与光还原相结合的制氢系统山田哲也、铃木Norihiro、中田和也、寺岛千也、松下幸之助、冈田清弘、藤岛彰和Ken‐胜俣一,2019年11月8日,化学:欧洲期刊。

DOI: 10.1002 / chem.201903642

该研究于2019年11月在网上公布,并于2020年2月21日正式出版。

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