客观日本

京都大学等开发出可长时间电解水的合金催化剂,削减制氢成本

2021年04月08日 化学材料

日本京都大学的北川宏教授与草田康平特定副教授与九州大学等合作,开发出了可以高效率电解水的新型催化剂。新催化剂是钌和铱组合而成的合金,与以往的催化剂相比活性更高,可以长时间促进反应。研发团队计划2030年前后将其嵌入制造氢气的水电解装置中,用来建立有助于削减温室气体的氢社会。

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催化剂的CT图像,对表面结构进行了控制。(图片由京都大学的北川教授和草田特定副教授提供)

氢是不产生二氧化碳(CO2)的清洁能源,不仅如此,还有望用作不产生二氧化碳的铁矿石的还原剂。氢可以通过电解水生成,最近,利用可再生能源电力、不排放二氧化碳的制氢法受到关注。欧洲由于可再生能源的电力成本比较低,电解水制氢的技术取得了发展,但在日本,这种方法的成本还比较高。

要想削减成本,电极使用的催化剂需要减少稀有金属的使用量。酸性溶液被认为适合水电解,但在产生氧气的阳极上催化剂的金属会溶出。要想防止金属溶出,需要使用昂贵的铱。虽然也可以使用价格比铱低一些的钌,但耐久性存在课题。

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新开发的钌与铱的合金催化剂。(图片由京都大学的北川教授和草田特定副教授提供)

此次开发的是以钌为基材的合金催化剂。研究团队控制了催化剂的表面结构,以原子最密集的部分为正面,从而抑制了氧化,金属不容易溶出。另外还微量添加了性质稳定的铱,同时实现了高活性和耐久性。铱的含量仅占整体的6%,因此还能削减成本。

实验显示,新催化剂的活性比以往的催化剂高出2位数左右,另外还确认,可以在这种状态下连续反应120个小时以上。没有控制表面结构的球状钌铱合金在相同条件下不到1小时就会失去活性。此外研究团队还发现,该催化剂作为发生氢生成反应的阴极催化剂也具有高活性。

古屋金属公司已开始研究量产此次开发的催化剂。另外,北川教授等人还考虑在该催化剂中添加其他元素,以提高性能。

日本政府计划2050年之前实现温室气体净零排放(碳中和)。2020年底制定的“绿色经济增长战略”将氢相关产业定位为该战略的支柱之一。在制氢产业中,水电解装置的作用非常大。还有望向可再生能源电价较低的海外出口技术。

如果想在日本国内普及氢能源,目标是到2050年之前在氢发电成本低于液化天然气火力发电的标准状态下,将气体单位体积的成本降至20日元,导入量预计为2000万吨左右。

日文:铃木游哉、《日经产业新闻》,2021年3月29日
中文:JST客观日本编辑部

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