PEM电解槽之氧化铱催化剂【SMM分析】
氢已被大家普遍认为是未来零碳社会的重要组成部分。长远来看,可再生能源与电解水制氢是规模潜力更大,更加清洁可持续,是最有潜力的绿氢供应方式。而PEM电解水制氢,因其采用的电解池结构紧凑,所以重量轻、体积小、规模灵活;同时得到的氢气纯度高、完全无污染;此外,电解槽效率高、所需能耗低,系统响应速度快,更适合可再生能源的波动性,因此是制取绿氢的主要技术路线之一,未来极具发展潜力。
而铱则是PEM电解槽发展过程中不可缺少的贵金属催化剂之一。
铱是贵金属铂族金属的一种,是比重第二的重金属,达到22.56 g/cm3。铱金属非常难融 – 其熔点高达2446 °C,在所有金属中排第七。铱金属非常抗腐蚀,室温环境下绝大多数酸难以对其腐蚀,包括著名的王水(aqua regia)。由于铱金属的耐热和耐腐蚀性,因此在很多高温、高腐蚀性工作环境中得到了广泛的使用。同时,纯金属铱又脆又硬,其莫氏硬度达到6.5,但非常容易破碎,因此通常组成合金使用。
氢能行业内都认为铱是最理想的PEM电解水阳极催化材料。因为在高电流密度、强氧化性的PEM电解水阳极反应环境下,铱仍然可以保持较高的催化活性和稳定性,极大加快析氧反应,并在活性与稳定性之间取得良好的平衡。
不过铱由于其特殊的资源属性,可能会延缓PEM电解槽大规模商业化的进程。
铱金属在地壳中含量非常稀少,铱金属一般与其他铂族贵金属共生,做为铂金的伴生矿,其丰度比起同为贵金属的铂相比也要低一个数量级以上,所以铱注定不会成为铂族金属矿业公司的主产品,其产量注定要依据铂金的开采产量而决定。
目前,全球铱金属年开采量仅有5-10吨,且高度集中于南非 -- 最近若干年,南非约生产了全球80-85%的铱。作为铂的伴生产品,在铂的产量不发生较大变化的情况下,铱的产量将会长期维持稳定,而铂的产量在最近若干年始终稳定在200吨左右,从而决定了铱的产量难有大规模的提升。而且价格可能会居高不下。
所以围绕催化剂展开的降本探索成为氢能行业内研究热点,综合来看大致可划分为以下三条路径:
(1)催化剂本身的结构、配比设计。如负载型催化剂的研发是催化剂企业的主流选择之一,以铱、氧化铱用二氧化钛作载体,表面将其导体化,可以显著降低铱的载量。 另一些研究通过掺杂其他金属/非金属粉末,或采用非贵金属,也获得一些性能可观的制氢催化剂,但实际应用和耐久性还有待验证。
(2)在膜电极层面对催化层结构进行优化设计。有序化膜电极催化层结构具有良好的电子、质子、水和气体等多相物质传输通道,有助于提高催化层中贵金属催化剂的利用率、增加反应的三相面,从而降低贵金属用量。
(3)贵金属铱的回收。规模应用肯定要进行铱回收,通过回收膜电极来实现铱的循环。但铱的回收比较复杂,目前全球有能力进行回收操作的企业都屈指可数,国内目前应用体量太小,还不具备开展回收的价值。