废物再利用技术——从采矿废石到氢燃料

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 澳大利亚昆士兰科技大学的研究人员正在利用采矿废石生产一种具有开发利用前景的低廉催化剂产品，可用于氢燃料的生产。

 对于采矿废石中发现的一种具有化学惰性的长石（例如钠长石和微斜长石），科学家们对其开展了热特性改造研究。一项新技术是在这些常见的长石矿物上原位生长成本较低的过渡金属纳米颗粒（不是贵金属），可用于促进电催化析氧反应的活性，因此可以应用于电化学法的水分解式制氢领域。

 昆士兰理工大学化学与物理学院的Ziqi Sun教授表示，“这些新型催化剂的制备采用了一种式热还原技术。在这该过程中，长石粉末与葡萄糖和含过渡金属的盐组分进行充分混合。在经过充分吸附和干燥处理之后，再经过两个小时的热退火处理（持续的氩气/氢气混合气流中，温度900˚C的条件下），就生产出了一种吸附有镍矿、钴矿和铁矿纳米级颗粒的长石粉末。这种新型纳米涂层材料能够引发电催化析氧反应对整个水分解过程的总体效率具有控制作用。”

 这篇发表在《Advanced Energy & Sustainability Research》期刊上的论文这样描述，“该合成技术中使用的葡萄糖具有几种重要作用：①确保长石粉末和含金属盐分（可以起到水分弥散作用）实现均匀混合；②在生长过程中，为金属纳米颗粒和载体之间的相互作用起到媒介作用；③在热还原过程中，能够起到减小生成的过渡金属颗粒的粒径或尺寸的作用；④能够碳化并激活长石晶格中的氧-硅化学键（具有电化学惰性的）；⑤通过形成金属元素-碳元素的化学键从而起到稳定过渡金属纳米颗粒的作用。

 研究人员发现，吸附在经过热还原处理的微斜长石表面的钴元素纳米团簇在所研究的混合了金属的长石中是效率最高的。研究人员还指出，钴元素纳米团簇型催化剂的性能要优于常规的贵金属基催化剂，比如氧化钌（RuO2），因为新的催化剂不需要对制氢生产工艺做任何调整。

 为了诱发必要的氧还原反应，钴元素纳米团簇型催化剂具有一种超电势特性（从330毫伏到10毫安/平方厘米），能够稳定运行70个小时，然而氧化钌型催化剂则需要高达410毫伏的超电势。

 Sun教授解释道，“钴元素纳米团簇型催化剂的塔菲尔斜率为50.6毫伏/秒，优于氧化钌型催化剂的9毫伏/秒，这表明这种具有工业规模应用前景的新型催化剂具有优良的动力学特性……当然，依然需要对其开展进一步的优化或调整，才能将这种新型催化剂推向实际应用领域。我们已经证实了直接使用矿物或采矿尾矿的应用前景，这为设计新型燃料生成催化剂的技术道路打开了新的窗口。”

 （中国地质调查局地学文献中心编译，张炜审校，陈秀法审核。

信息来源：https://www.iom3.org/resource/waste-not-from-mining-scraps-to-hydrogen-fuel.html/）

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标签：AdvancedEnergy&SustainabilityResearch澳大利亚昆士兰科技大学催化剂氢燃料

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