变废为宝 废弃金属成制氢催化剂增强物

  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），但随着地理政治学的冲突、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，还能有实际效果的减少贵金属的使用，有利于降氢成本。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，其根本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么多东西用于催化领域。

  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，且两者的电流就没有下降，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，将有利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全方位检查时，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：“个人会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，整一个完整的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。”

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