近年来，作为实现脱碳经济努力的一部分，绿色氢气在不使用化石燃料或不排放二氧化碳的情况下生产氢气变得越来越重要。然而，由于生产绿氢的水电解装置生产成本高，绿氢的经济可行性一直不是很高。但是，随着高分子电解质膜水电解装置中铱、铂等稀有金属的使用量大幅减少的技术的开发，为降低生产成本开辟了道路。
由韩国科学技术研究院 (KIST)氢和燃料电池研究中心的 Hyun S. Park 博士和 Sung Jong Yoo 领导的研究小组宣布他们已经开发出一种技术，可以显着减少聚合物电解质膜水电解装置电极保护层中使用的贵金属铂和铱的量，并确保与现有装置同等的性能和耐久性。特别是，与之前的研究侧重于减少铱催化剂的用量同时保持使用大量铂和金作为电极保护层的结构不同，研究人员将电极保护层中的贵金属替换为廉价的氮化铁，具有表面积大，并在其上均匀包覆少量铱催化剂，大大提高了电解装置的经济性。
聚合物电解质膜电解水装置是利用太阳能等可再生能源提供的电能，将水分解产生高纯度氢气和氧气的装置，为炼钢、化工等各行业提供氢气。此外，将可再生能源存储为氢能有利于能量转换，因此提高该装置的经济性对于实现绿色氢经济具有重要意义。
在典型的电解装置中，有两个产生氢气和氧气的电极，而对于在高腐蚀性环境中运行的产氧电极，需要在电极表面镀上 1 mg/cm2 的金或铂作为保护层层以确保耐用性和生产效率，并在顶部涂覆 1-2 mg/cm2 的铱催化剂。这些电解装置中使用的贵金属储量和产量都很低，是阻碍绿色制氢装置广泛应用的主要因素。
为了提高电解水的经济性，该团队用廉价的氮化铁(Fe2N)取代了用作聚合物电解质膜制氢装置中氧电极保护层的稀有金属金和铂。为此，该团队开发了一种复合工艺，首先在电极上均匀涂上导电性较低的氧化铁，然后将氧化铁转化为氮化铁以提高其导电性。该团队还开发了一种工艺，在氮化铁保护层顶部均匀涂覆约 25 纳米 (nm) 厚的铱催化剂，将铱催化剂的量减少到低于 0.1 mg/cm2，从而获得高产氢量的电极效率和耐用性。
开发的电极用非贵金属氮化物代替金或铂作为产氧电极的保护层，同时保持与现有商业电解装置相似的性能，并将铱催化剂的用量减少到现有水平的10%。此外，装有新组件的电解装置运行了 100 多个小时，以验证其初始稳定性。
“减少铱催化剂的用量和开发铂保护层的替代材料对于经济和广泛使用聚合物电解质膜绿色制氢装置至关重要，使用廉价的氮化铁代替铂具有重要意义，”说。 KIST 的 Hyun S. Park 博士。“在进一步观察电极的性能和耐用性后，我们将在不久的将来将其应用于商业设备。”
该研究得到了贸易、工业和能源部(李长阳部长)和 KIST 重大项目的支持，结果在线发表在最新一期国际科学期刊 Applied Catalysis B:Environmental (IF: 24.319) , 在 JCR 中排名前 0.926%)。
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