变废为宝 废弃金属成制氢催化剂增强物

2024年05月03日科技
【新唐人北京时间2024年05月03日讯】随着人们对AI、电动汽车和芯片等需求量增大,能源的消耗也在加剧,因此增加能源和减少污染成为当前主要课题之一。英国一所大学搞了一项研究,将工业金属废料转变成催化剂增强物,以达到制氢成本降低和废物再利用的目的。
氢气是一种石油化工厂常用的原料,也可以制成农业用的尿素、氨气等化学工业用品。同时氢气也是常见的燃料,有潜力成为一种常用的能源载体,能够为车辆提供动力,因为氢气燃烧时会与空气中的氧气形成无毒、无害的水蒸气。
然而,氢气的制造却十分依赖电、水和催化剂。生产氢气使用的催化剂大多是贵金属白金(Pt)和钴(Co),但随着地缘政治的冲突、美中之间关系逐渐走向冰点和通膨等问题出现,使得黄金、银和白金等贵金属价格有上升的趋势,这使制氢行业正面临新挑战,必须找到减少贵金属使用,或增加氢气产量的方法。
这次,英国诺丁汉大学(University of Nottingham)化学学院和工程学院的研究人员在寻找良好制氢的催化剂时,意外发现加工业切削出来的金属屑,不仅能作为催化剂的良好附着体,还能有效减少贵金属的使用,有利于降低制氢成本。这项研究4月16日发表在英国王家化学学会的《材料化学杂志》上。
由于全球螺旋车削、铣削和钻孔等机械加工在切削铝镁合金、不锈钢、钛(Ti)、镍(Ni)及其它合金时,会产生大量低价值金属屑废料,但这些废料大多没有被有效回收再利用,而是被大量堆放或废弃,其主要原因是回收的经济效益低下。
尽管一些金属屑废料现在被作为雷射增材制造中粉末的替代品,或作为金属粉末(固态烧结)的材料,但仍有庞大的废弃金属屑被堆放。另外,过去没有人想到将这些东西用于催化领域。
诺丁汉大学主要使用由螺旋车削的金属屑进行实验。因为金属经由车削后,其表面会形成许多10-50纳米(nm)大小的凹槽和突起,这让金属形成卓越的表面积,有利于吸附和稳定催化溶液。
研究人员将这种钛金属和镍金属屑浸泡在含有白金(Pt)和钴(Co)的溶液里,使其纳米突起和凹槽上生成Pt-Ti和Co-Ni的型态,整个吸附过程不需要额外的溶剂或试剂,就可以让白金或钴吸附到钛和镍金属上。
实验显示,每平方公分的钛金属屑,只需28微克的白金即可以正常生产出可燃烧的氢气,这是商业催化剂用量的十分之一。每平方公分的镍金属屑只要30微克的钴就可以正常产生助燃的氧气(O2)。它们两者的法拉第效率(能量转化效率)都达到惊人的100%,极具商业价值。
除此之外,研究人员还评估了切削裸钛(Ti)、不锈钢(SST)和镍(Ni)的金属屑,在“添加”与“不添加”白金和钴材料的情况下,它们对于析氢反应(HER)和析氧反应(OER)的结果。
结果显示,“添加”白金和钴后的金属,对于析氧反应(OER)和析氢反应(HER)都比“不添加”的反应要来的高,产量也比原本高出许多。他们还发现,原本“不添加”白金的切削钛、镍金属,在添加白金后它们的活性增加了60倍,而不锈钢在添加后活性增加了4倍。
另外,研究人员还对于这些添加过白金的金属进行长期耐久性测试。结果是钛、镍屑的电极都表现出显着的稳定性,且两者的电流几乎没有下降,不锈钢屑则下降15%的电流。
这些实验证明该装置只要正确添加适量的白金或钴,就能增加制造氧气和氢气的产能和效率。如果将这项工艺用于实际,将有助于解决现代工业产生的废弃金属,和氢气生产价格昂贵的问题。
该研究小组的领导者、诺丁汉大学化学学院的赫苏姆·费尔南德斯(Jesum Alves Fernandes)博士对该校的新闻室表示:“英国的工业每年会产生数百万吨金属废弃物,当时我们透过扫描电子显微镜对它们进行检查时,惊讶的发现外表看似光滑的不锈钢、钛或镍合金切屑,存在许多数十纳米宽的凹槽和突起。”
负责分析新材料的结构和电催化活性研究员马达萨米·坦加穆图(Madasamy Thangamuthu)表示,“与最先进的商业催化剂相比,我们仅花费十分之一的水和用极少的贵金属和废弃金属,就能够创造出一种实验室规模的电解槽生产氢气,且整体运作效率为100%。”
目前该团队正在与水吸附有限公司(AqSorption Ltd)合作,以扩大其技术规模。该学院的教授安德烈·赫洛比斯托夫(Andrei Khlobystov)则表示:“我们使用航空航天工业中的金属废料,和少量贵金属的情况下生产出氢气,整个过程是对于航空航天工业中的金属废料的升级改造和再利用。”
(转自大纪元/责任编辑:叶萍)