英国大学研究：将工业金属废料转化为催化剂增强物，助力制氢成本降低与废物再利用

英国大学研究：将工业金属废料转化为催化剂增强物，助力制氢成本降低与废物再利用

随着人们对AI、电动汽车、芯片等需求的增加，能源消耗也随之增加，因此提高能源利用效率、减少污染成为当前主要议题之一。英国一所大学进行了一项研究，将工业金属废料转化为催化剂增强剂，以达到降低制氢成本、废物循环利用的目的。

氢气是石油化工厂常用的原料，也可以制成尿素、氨等农业用化工产品。氢气也是一种常见的燃料，有潜力成为一种常见的能源载体，可以为汽车提供动力，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，氢气的生产高度依赖电力、水和催化剂。氢气生产中使用的催化剂大多是铂（Pt）和钴（Co）等贵金属。然而，随着地缘政治冲突、中美关系逐渐走向冰点以及通货膨胀，黄金、白银和铂金等贵金属的价格不断上涨。这给制氢行业带来了新的挑战，必须想方设法减少贵金属的使用或增加氢气产量。

此次，英国诺丁汉大学化学学院和工程学院的研究人员意外发现，从加工工业中切下来的金属碎片，不仅可以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。此项研究成果于4月16日发表在英国皇家化学学会《材料化学》杂志上。

由于全球在切削铝镁合金、不锈钢、钛​​（Ti）、镍（Ni）等合金时，进行螺旋车削、铣削和钻削等机械加工，产生大量低价值的金属屑废料，而这些废料大部分并未得到有效回收再利用，而是被大量堆积或丢弃，其主要原因是回收的经济效益低下。

虽然现在有些废金属被用作激光增材制造中的粉末替代品，或者作为金属粉末（固相烧结）的材料，但仍然有巨大的废金属堆。此外，过去没有人想到过将这些材料用于催化领域。

诺丁汉大学主要利用螺旋车削产生的金属碎片进行实验，经过车削后，金属表面会形成许多尺寸为10-50纳米（nm）的凹槽和突起，使金属具有极好的表面积，有利于催化溶液的吸附和稳定。

研究人员将钛和镍金属碎片浸泡在含有铂（Pt）和钴（Co）的溶液中，在其纳米凸起和凹槽上生成Pt-Ti和Co-Ni结构。整个吸附过程不需要额外的溶剂或试剂，就可以将铂或钴吸附到钛和镍金属上。

实验表明，每平方厘米钛屑只需28微克铂就能产生可燃氢气，仅为商业催化剂用量的十分之一；每平方厘米镍屑只需30微克钴就能产生氧气（O2）支持燃烧。二者均具有惊人的100%法拉第效率（能量转换效率），具有巨大的商业价值。

此外，研究人员还评估了在添加和不添加铂和钴材料的情况下，从裸露的钛（Ti）、不锈钢（SST）和镍（Ni）上切割金属碎片对氢析出反应（HER）和氧析出反应（OER）的影响结果。

研究结果表明，添加了铂和钴的金属比未添加的金属具有更高的析氧反应（OER）和析氢反应（HER），产率也比以前高得多。他们还发现，未添加铂的切削钛和镍金属在添加铂后活性提高了60倍，而不锈钢在添加铂后活性提高了4倍。

此外，研究人员还对这些添加了铂的金属进行了长期耐久性测试，结果显示，钛和镍芯片的电极表现出了明显的稳定性，二者的电流几乎没有下降，而不锈钢芯片的电流则下降了15%。

这些实验证明，该装置通过添加适量的铂或钴，可以提高氧气和氢气的生产能力和效率。如果这一工艺投入实践，将有助于解决现代工业产生的废弃金属和氢气生产成本过高的问题。

“英国工业每年产生数百万吨的金属废料，当我们通过扫描电子显微镜检查它们时，我们惊讶地发现看似光滑的不锈钢、钛​​或镍合金碎片有许多几十纳米宽的凹槽和突起，”领导该研究小组的诺丁汉大学化学学院的杰萨姆·阿尔维斯博士说。

分析新材料结构和电催化活性的研究员 表示：“我们能够创建一种实验室规模的电解器，以 100% 的效率生产氢气，与最先进的商业催化剂相比，仅使用十分之一的水和极少的贵金属和废金属。”

该团队目前正在与（有限公司）合作扩大其技术。该学院教授安德烈·赫洛比斯托夫（）表示：“我们利用航空航天工业产生的金属废料和少量贵金属来生产氢气。整个过程是对航空航天工业金属废料的升级和再利用。”