变废为宝 废弃金属成制氢催化剂增强物

Daphane

來源:大紀元




英国谢菲尔德国际有限公司废品场的金属刨花。(Oli Scarff / AFP)

【大纪元2024年05月02日讯】（大纪元专题部记者吴瑞昌编译报导）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。”