“液体电池”的进步——电催化加氢策略

Josiah

　　随着加州快速转向使用可再生燃料，它需要能够为电网储存电力的新技术。太阳能发电在夜间和冬季都会下降。风能发电量时好时坏。因此，该州严重依赖天然气来平衡可再生能源发电量的高低。
　　“电网使用能源的速度与发电速度相同，如果你当时不使用它，而且你不能储存它，那么你就必须把它扔掉，”人文与科学学院罗伯特·埃克斯斯温化学教授罗伯特·韦茅斯说。
　　Waymouth 正带领斯坦福大学的一个团队探索一种新兴的可再生能源储存技术：液态有机氢载体 (LOHC)。氢气已被用作燃料或发电手段，但储存和运输氢气却很棘手。
　　“我们正在开发一种新策略，用于选择性地转换和长期储存液体燃料中的电能，”Waymouth 说道，他是这项研究的资深作者，这项研究发表在《美国化学学会杂志》上。“我们还发现了一种新颖的选择性催化系统，用于在不产生气态氢的情况下将电能储存在液体燃料中。”
　　液体电池
　　用于为电网储存电力的电池以及智能手机和电动汽车电池都使用锂离子技术。由于储能规模巨大，研究人员仍在继续寻找可以补充这些技术的系统。
　　候选材料包括 LOHC，它可以利用催化剂和高温储存和释放氢气。有朝一日，LOHC 可以广泛用作“液体电池”，储存能量并在需要时高效地将其作为可用燃料或电力返回。
　　Waymouth 团队研究了异丙醇和丙酮作为氢能储存和释放系统的成分。异丙醇（或外用酒精）是一种高密度液态氢，可以通过现有基础设施储存或运输，直到需要将其用作燃料电池中的燃料或释放氢气以供使用而不会排放二氧化碳为止。
　　然而，用电生产异丙醇的方法效率很低。水中的两个质子和两个电子可以转化为氢气，然后催化剂可以从氢气中生产出异丙醇。
　　“但你不希望在这个过程中产生氢气，”Waymouth 说。“它的单位体积能量密度很低。我们需要一种直接从质子和电子制造异丙醇而不产生氢气的方法。”
　　这项研究的主要作者丹尼尔·马龙 (Daniel Marron) 最近获得了斯坦福大学化学博士学位，他确定了如何解决这个问题。他开发了一种催化剂系统，将两个质子和两个电子与丙酮结合，选择性地生成 LOHC 异丙醇，而不会产生氢气。他使用铱作为催化剂。
　　一个关键的惊喜是，二茂钴是神奇的添加剂。二茂钴是非贵金属钴的化合物，长期以来一直被用作简单的还原剂，而且价格相对便宜。研究人员发现，二茂钴在用作该反应的助催化剂时效率异常高，它直接将质子和电子传递给铱催化剂，而不是像之前预期的那样释放氢气。
　　根本的未来
　　钴已经是电池中的常见材料，需求量很大，因此斯坦福团队希望他们对钴二茂物性的新认识可以帮助科学家为这一过程开发其他催化剂。例如，研究人员正在探索更丰富的非贵土金属催化剂，如铁，以使未来的 LOHC 系统更实惠、更可扩展。
　　韦茅斯说：“这是基础科学，但我们认为我们有一个更有选择性地将电能储存在液体燃料中的新策略。”
　　随着这项工作的进展，人们希望 LOHC 系统能够改善工业和能源部门或单个太阳能或风力发电场的能源存储。
　　尽管幕后工作非常复杂且富有挑战性，但正如 Waymouth 所总结的那样，这个过程其实非常优雅，“当你有多余的能源，而电网又没有需求时，你就把它储存为异丙醇。当你需要这些能源时，你可以把它作为电能返回。”
　　斯坦福大学的其他合著者包括 23 届博士生 Conor Galvin 和博士生 Julia Dressel。Waymouth 还是斯坦福 Bio-X 和斯坦福癌症研究所的成员、Sarafan ChEM-H 的教职员工以及斯坦福伍兹环境研究所的附属机构。