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新型催化劑能夠將堿性廢水直接轉化為清潔氫氣

文章來源：新能源網更新時間：2025-07-22 16:33:49

　　韓國材料科學研究所（KIMS）能源環境材料研究部的Sung Mook Choi博士和他的研究團隊成功開發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。這一突破使直接利用工業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，所開發的催化劑已應用于商業規模的64cm²單電池電解系統，并且在連續運行超過2000小時后，表現出了高制氫效率，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。

　　研究小組發現，鎳和氧化鈰之間的界面與廢堿水中的雜質離子表現出弱的結合能。這一發現通過與富京大學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，開發了一種即使在雜質豐富的環境中也能保持性能的高度耐用的陰離子交換膜。

　　通過這一開發過程，研究小組創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，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，還減輕了環境污染。

　　傳統的淡水電解系統需要大約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定性和效率。

　　該技術一旦商業化，預計將加速未來移動和電力行業關鍵部件材料的自給自足，同時為創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日發表在國際權威學術雜志《Advanced Science》（影響因子14.3）上。

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