Климатический кризис требует наращивания использования возобновляемых источников энергии, таких как солнечная и ветровая, но с непостоянной доступностью масштабируемое хранение энергии является проблемой.

Водород, особенно безуглеродный зеленый водород , стал перспективным носителем экологически чистой энергии и вариантом хранения возобновляемых источников энергии, таких как солнечная и ветровая. Он не увеличивает выбросы углерода в атмосферу, но в настоящее время его создание является дорогостоящим и сложным.

Одним из способов получения зеленого водорода является электрохимическое расщепление воды. Этот процесс включает в себя прохождение электричества через воду в присутствии катализаторов (веществ, усиливающих реакцию) для получения водорода и кислорода.

Исследователи из Технологического института Джорджии и Технологического научно-исследовательского института Джорджии (GTRI) разработали новый процесс и материал для разделения воды, которые максимально повышают эффективность производства зеленого водорода, делая его доступным и доступным вариантом для промышленных партнеров, которые хотят перейти на зеленый водород. для хранения возобновляемой энергии вместо традиционного производства водорода из природного газа с выделением углерода.

Выводы Технологического института Джорджии пришли к выводу, что эксперты по климату согласны с тем, что водород будет иметь решающее значение для ведущих мировых промышленных секторов для достижения своих целей по нулевым выбросам. Прошлым летом администрация Байдена поставила цель снизить стоимость чистого водорода на 80% за одно десятилетие. Инициатива Министерства энергетики, получившая название Hydrogen Shot, направлена ​​на снижение стоимости «чистого» или зеленого водорода до 1 доллара за килограмм к 2030 году.

Ученые надеются заменить природный газ и уголь, которые в настоящее время используются для хранения дополнительной электроэнергии на уровне сети, зеленым водородом, поскольку он не способствует выбросам углерода, что делает его более экологически чистым средством хранения возобновляемой электроэнергии. В центре их исследований находится электролиз, или процесс использования электричества для расщепления воды на водород и кислород.

Менее дорогие, более прочные материалы

Исследовательская группа Технологического института Джорджии надеется сделать зеленый водород менее дорогостоящим и более долговечным, используя гибридные материалы для электрокатализатора. Сегодня этот процесс основан на дорогостоящих компонентах из благородных металлов, таких как платина и иридий, предпочтительных катализаторах для производства водорода путем электролиза в больших масштабах. Эти элементы дороги и редки, что затормозило процесс замены газа на водородную энергию. Фактически, по данным исследовательской фирмы Wood Mackenzie, на зеленый водород приходилось менее 1% годового производства водорода в 2020 году, в значительной степени из-за этих расходов.

«Наша работа уменьшит использование этих благородных металлов, повысит их активность, а также варианты использования», — сказал главный исследователь Сын Ву Ли, доцент Школы машиностроения Джорджа Вудраффа и эксперт по электрохимическому накоплению энергии. и системы преобразования.

В исследовании, опубликованном в журналах  Applied Catalysis B: Environmental and Energy & Environmental Science , Ли и его команда подчеркнули взаимодействие между наночастицами металла и оксидом металла для разработки высокоэффективных гибридных катализаторов.

«Мы разработали новый класс катализаторов, в котором мы придумали лучшую оксидную подложку, в которой используется меньше благородных элементов», — сказал Ли. «Эти гибридные катализаторы показали превосходные характеристики как для кислорода, так и для водорода (расщепление)».

Нанометровый анализ

Их работа основывалась на вычислениях и моделировании от исследовательского партнера, Корейского института энергетических исследований, и рентгеновских измерений от Национального университета Кёнпук и Университета штата Орегон, которые использовали синхротрон страны, суперрентгеновское излучение размером с футбольное поле.

«С помощью рентгеновских лучей мы можем отслеживать структурные изменения в катализаторе во время процесса расщепления воды в нанометровом масштабе», — пояснил Ли. «Мы можем исследовать их степень окисления или атомные конфигурации в рабочих условиях».

Джинхо Пак, научный сотрудник GTRI и ведущий исследователь, сказал, что это исследование может помочь снизить стоимость оборудования, используемого для производства зеленого водорода. Помимо разработки гибридных катализаторов, исследователи усовершенствовали возможность управления формой катализаторов, а также взаимодействием металлов. Ключевыми приоритетами были сокращение использования катализатора в системе и, в то же время, повышение ее долговечности, поскольку катализатор составляет основную часть стоимости оборудования.

«Мы хотим использовать этот катализатор в течение длительного времени без ухудшения его характеристик», — сказал он. «Наше исследование сосредоточено не только на создании нового катализатора, но и на понимании механики реакции, лежащей в его основе. Мы считаем, что наши усилия помогут поддержать фундаментальное понимание реакции расщепления воды на катализаторах и предоставят важную информацию другим исследователям. это поле, — сказал Пак.

Форма катализатора имеет значение

Ключевым открытием, по словам Парка, была роль формы катализатора в производстве водорода. «Структура поверхности катализатора очень важна для определения того, оптимизирован ли он для производства водорода. Вот почему мы пытаемся контролировать форму катализатора , а также взаимодействие между металлами и материалом подложки», — сказал он.

Парк сказал, что некоторые из ключевых приложений, которые могут принести пользу в первую очередь, включают водородные станции для электромобилей на топливных элементах, которые сегодня работают только в штате Калифорния, и микросети, новый общественный подход к проектированию и эксплуатации электрических сетей, основанных на резервном питании от возобновляемых источников энергии. сила.

В то время как исследования XYZ идут полным ходом, команда в настоящее время работает с партнерами над изучением новых материалов для эффективного производства водорода с использованием искусственного интеллекта (ИИ).