下一代超低铱阳极催化剂开发

2023 年 2 月 21 日消息

Ames Goldsmith Ceimig是跨国贵金属化学专家 Ames Goldsmith Corporation 的氢技术部门。总部位于邓迪的 Ames Goldsmith Ceimig 长期以来一直是用于 PEM 技术的低铱催化剂的拥护者，在超过 15 年的时间里积极地向市场销售。随着铱催化剂的生产规模超过 GW 产品当量，我们是 PEM 水电解市场的领先供应商。

在过去的 3 年里，Ames Goldsmith Ceimig 使用我们来自美国和英国的科学家团队开展了一项跨公司开发计划，以开发适合 2050 年铱需求概况的最先进的下一代催化剂。

到 2022 年底，30 多个国家制定了国家氢政策，以实现能源需求脱碳，目标是到 2050 年实现净零排放。

这些政策意味着全球电解槽生产有雄心勃勃的目标，估计到 2030 年需要安装 100GW，到 2050 年估计需要增加到 3,585GW 的电解。预计其中 40% 将使用 PEM 技术。随着美国最近出台的《降低通货膨胀法案》和欧盟的 REPowerEU 氢能路线图以及新的欧盟绿色交易工业计划，这些数量有望成为现实。

从历史上看，作为铂金生产的副产品，每年仅开采约 8 吨铱。根据许多指标，当前 PEM 电解槽中的铱负载量为 1-2.5g/KW。如果我们将这一估计的低端设为 1g/KW，假设使用铱黑 (>98% Ir) 等催化剂，那么这相当于到 2030 年 40GW 的 PEM 电解所需的 40T 铱和到 2030 年所需的 1430T 铱2050年用于1430GW的PEM电解。这种铱的使用水平是无法实现的，这导致许多人质疑 PEM 电解作为应对气候变化的长期解决方案的可行性。

Ames Goldsmith 在电解槽市场上最畅销的产品是 HyPer WE 550，它是一种氧化铱钌。该产品仅包含 2/3 的铱，并且具有极高的表面积，这意味着可以使用更少的量来达到相同的活性水平。设计为两种金属在纳米晶体尺度上的真正合金，从而提高了催化剂的耐用性。测试和使用中的反馈表明，HyPer WE 550 提供与氧化铱相当的性能，但降解率更低。

使用 HyPer WE 550 时通常只需要 0.3g/KW 的铱，因此到 2030 年 40GW 的 PEM 电解仅需要 12T 的铱，到 2050 年 1430GW 的 PEM 电解仅需要 430T 的铱。

这是对铱需求的显着改善，意味着目前有一种可行的产品，可以大规模生产，可以很容易地达到 2030 年代中期的需求率。

不过，过了这个时期，仍需要改进铱的载量。这可以在一定程度上通过进一步合金化金属来实现。另一条正在开发的技术路线是通过在载体表面沉积一层薄薄​​的铱纳米晶体来优化铱的使用，这与将铂沉积在碳上以用于燃料电池的方式非常相似。

迄今为止，许多公司一直在使用因其在电解槽阳极的高氧化电流密度和低 pH 值下的耐久性而选择的支撑物。在这些条件下，碳不是一种可行的载体，而诸如氧化钛_、氧化锡和这些氧化物的掺杂变体等载体一直是许多公司关注的焦点。虽然这项技术将有助于限制所需的铱量，但减少量仅限于催化剂的 45% 左右。这是由于催化剂层需要在膜表面导电。当使用非导电载体（例如 TiO _{2 ）}时，表面上的金属需要提供导电性和催化作用，这需要高负载的金属。

Ames Goldsmith 迄今为止开发的顶峰是一种产品，暂时称为 HyPer WE53s，它基于沉积在铂金上的铱——基于支持化学。该产品的铱含量低于 15%，在阳极条件下完全稳定。加速应力测试表明其性能与竞争对手的氧化铱等级和 Ceimig 的 HyPer WE 550 – 氧化铱钌相当。我们的大学合作伙伴进行的加速压力测试旨在模拟长达 100,000 小时的使用时间。

采用该等级应导致铱载量<0.06g/KW，这意味着到 2030 年所需的 40GW PEM 电解仅需要 2.4T 铱，而到 2050 年所需的 1430GW PEM 电解仅需要 86T 铱，鉴于提高产量 这应该很容易实现，特别是如果再加上 PEM 组件回收方面的发展。

有些人可能会质疑使用像基于铂金的支持系统这样昂贵的东西，但这是经过仔细考虑的。铂金在电解槽阳极条件下具有稳定的记录，可用于保护 PTL 和流动板。

选择以铂为基础的支撑，也是对未来铱矿开采的支撑。铱矿仅占矿篮的2-4%，因此企业不会单独开采铱矿。通过在产品中加入更大比例的铂，我们促进了铱的生产。随着 ICE 车辆的减少，未来几十年铂金需求将减少，这是一个重要的推动因素。

尽管支撑中的铂金成本相对较高，但采用这种新等级应该可以将电解槽制造商的 PGM 成本降低 2/3（基于当前的 PGM 价格）。IRENA 的分析表明，阳极催化剂仅占当前电解槽总成本的 2.7%，使用 HyPer WE 53s 可将其降低至总成本的 <0.9%，从而使 PEM 电解与其他电解方法相比更具竞争力。

供稿人：Wayne Thornhill – 销售经理 – Ames Goldsmith Ceimig – wayne.thornhill@amesgoldsmith.co.uk

来源：https://www.hydrogen-worldexpo.com/industry_news/next-generation-ultra-low-iridium-anode-catalyst-development/