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氢能商业化的关键一环是低碳高效廉价制氢。电解水作为最具前景的技术,一直深受电价和效率的困扰。随着可再生能源电价的快速下降,第一个障碍已不足虑。日前,爱尔兰都柏林三一学院研究团队尝试借助AI和超级计算机来搜寻高效廉价的催化剂,为突破第二个障碍带来了曙光。
(来源:微信公众号“拉瓦锡1787” ID:Hydrogen2050 作者:氢能首席观察员)
尽管氢气是理想的绿色燃料,也是宇宙中最丰富的元素,但自然状态下几乎没有单质存在的氢,往往需要从化石燃料或水中制取。尤其电解水制氢无碳、纯度高、源于水终于水,这也是氢能被比喻为“终极能源”的原因。
Acs of Chemical Research 主编Cynthia J. Burrows曾有十个“化学界圣杯”之喻,排名第一的是“将太阳能转化为可储存、可运输的燃料(如氢气等),同时对地球的危害最小化”。尽管电解水制氢技术已愈百年,但商业化始终难以逾越两个难题——电价和效率。随着近年来可再生能源发电成本的大幅下降,第一个问题已经迎来曙光。但有效地将水分解为氢气和氧气依旧需要稀有且昂贵的金属催化剂,例如铂和铱。
作为化学入门第一课,电解水获取氢气和氧气的原理很简单。但问题是水非常稳定,需要大量能量才能分解——核心瓶颈是析氧过程中需要较大的能量或“过电势”。因此,电解水过程中必需的“高效廉价的氧气析出催化剂”与“非铂氧还原催化剂的开发”成为高效制氢领域两大世界难题。目前,全球科学界和工业界正在向此发起“总攻”。2019年上半年,中国科学技术大学吴宇恩教授课题组钌单原子合金催化剂在氧析出催化剂取得的重大突破就是其中的典型代表。
日前,爱尔兰都柏林三一学院Max García-Melchor教授团队的研究发现有望加速这一过程。他们基于不同的过渡金属(Ru、Mn、Fe、Co、Ni、Cu)组合了17种较为活跃的析氧催化剂,研究发现——科学界一直低估了一些反应性更强的催化剂的活性,可怕的“超电势”障碍现在似乎更容易清除。在此基础上,除融合化学和理论物理学知识以完善用于预测水分解催化剂效率理论模型外,他们还借助AI和超级计算机来搜寻高效廉价的催化剂。
该团队旨在利用AI将大量地球上丰富的金属和配体(将它们“粘合”在一起以生成催化剂)放入备选池中,然后评估最具潜力的组合。通过模型为理想催化剂设计基本原则,将曾经看起来像大海捞针的科研活动转变为数字过程。这正是这项跨界研究令人兴奋之处。
高效廉价制取氢气的圣杯一旦被攻破,氢与可再生能源必将为人类的可持续发展注入源源不断的动力。
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