韓國材料科學研究所（KIMS）能源環(huán)境材料研究部的Sung Mook Choi博士和他的研究團隊成功開發(fā)了一種高度耐用的非貴金屬基制氫催化劑，用于使用廢堿水和陰離子交換膜（AEM）的直接電解系統(tǒng)。這一突破使直接利用工業(yè)過程中產生的堿性廢水生產清潔氫氣成為可能。值得注意的是，所開發(fā)的催化劑已應用于商業(yè)規(guī)模的64cm²單電池電解系統(tǒng)，并且在連續(xù)運行超過2000小時后，表現(xiàn)出了高制氫效率，性能下降不到5%，這表明了實際應用的強大前景。

　　在半導體制造和金屬蝕刻/清洗過程中會產生大量的堿水廢水。然而，由于處理成本高和潛在的環(huán)境危害，其再利用仍然是低效的。陰離子交換膜電解法（AEMWE）被認為是一種直接利用廢堿水而不需要單獨凈化的方法。然而，廢水中所含的雜質和離子長期干擾電解過程中的電化學反應，顯著降低了制氫效率。

　　研究小組發(fā)現(xiàn)，鎳和氧化鈰之間的界面與廢堿水中的雜質離子表現(xiàn)出弱的結合能。這一發(fā)現(xiàn)通過與富京大學Min Ho Seo教授小組的合作研究，利用密度泛函理論（DFT）計算，在理論上得到了驗證。此外，研究人員與建國大學Jang Yong Lee教授團隊合作，開發(fā)了一種即使在雜質豐富的環(huán)境中也能保持性能的高度耐用的陰離子交換膜。

　　通過這一開發(fā)過程，研究小組創(chuàng)造了一種基于鎳和氧化鈰的異質結構非貴金屬催化劑。該催化劑可直接應用于廢堿水電解系統(tǒng)，無需復雜的凈化過程。因此，該團隊取得了一項技術突破，不僅降低了氫氣的生產成本，還減輕了環(huán)境污染。

　　傳統(tǒng)的淡水電解系統(tǒng)需要大約18噸原水來生產1噸氫，其中必須提取大約9噸超純水。凈化這些水的費用估計在2340美元左右。相比之下，研究小組開發(fā)的“直接廢堿水電解技術”可以不經凈化而大量利用廢堿水，大大降低了制氫成本。

　　研究小組使用共沉淀法合成了基于鎳和鈰氧化物的異質結構非貴金屬催化劑，該方法通過溶解多種物質并同時沉淀它們，從而易于大規(guī)模生產。通過兩步熱處理工藝得到最終催化劑。這種方法能夠形成大量的氧空位，并最大限度地提高電子-金屬支撐相互作用（EMSI），從而提高催化性能和耐久性。氧空位使電子流更順暢，加速析氫反應（HER），而金屬與周圍材料之間的強相互作用提高了催化劑的運行穩(wěn)定性和效率。

　　該技術一旦商業(yè)化，預計將加速未來移動和電力行業(yè)關鍵部件材料的自給自足，同時為創(chuàng)造清潔氫的新市場做出貢獻。在此基礎上，研究小組還致力于開發(fā)直接利用海水作為源的下一代AEMWE技術。

　　KIMS首席研究員Sung Mook Choi博士表示：“通過本研究，我們證明了工業(yè)廢堿水可以有效地回收用于制氫，大大降低了生產成本，同時也最大限度地降低了廢水運輸過程中泄漏事故的風險。”

　　他補充道：“非淡水電解技術在未來的清潔制氫領域有望得到越來越多的關注。”

　　本研究由韓國國家研究基金會（NRF）資助，由韓國政府（MSIT）資助（No. 1）。（RS-2024-00467234，國家氫中心實驗室)，由韓國科學和信息通信技術部資助的韓國國家研究基金會（NRF）資助的納米材料技術發(fā)展計劃（RS-2024-00409675），以及由韓國材料科學研究所（KIMS）資助的基礎研究計劃。該研究結果9日發(fā)表在國際權威學術雜志《Advanced Science》（影響因子14.3）上。

　　（素材來自：KIMS 全球氫能網、新能源網綜合）