以“世界顶尖”半导体技术开发“超高效率”氢能技术

Published 25 Sep.2023 15:39(KST)

KAIST-KIST联合研究团队
高耐久性且催化剂用量降至十分之一以下

利用能够实现三维网络结构的半导体技术，成功开发出一种可在长时间内保持高效制氢效率的技术。

含有多余电子储存库的三维网络结构氧化物半导体作为载体的制氢催化剂。图片出处 Kaist提供

韩国科学技术院（KAIST）25日表示，新材料工程系教授 Jung Yeonsik 与韩国科学技术研究院（KIST）所属的 Kim Jinyoung 博士、Kim Donghun 博士共同利用一种从新概念氧化物半导体中补充制氢催化剂在反应过程中流失电子的新原理，开发出了高效率且高耐久性的制氢技术。

为了生产高纯度绿色氢气，会采用利用可再生能源对水进行电解的环保型聚合物电解质膜水电解（PEMWE）装置。在此过程中主要使用的铱（Ir）催化剂，只有在持续保持富含电子的状态下，才能同时实现高效率和高耐久性。然而，由于催化反应具有易失去电子并被氧化的一般特性，长期以来一直存在效率和寿命显著下降这一顽疾。

研究团队利用了一种通过堆叠超精细图案来实现三维网络结构的半导体技术。本次使用的材料是掺杂锑（Sb）的氧化锡，在该氧化物表面，通过半导体沉积技术使发挥“电子储存库”作用的氧离子以高浓度分布。当将这种独特的氧化物半导体用作催化剂载体时，表面上的氧离子会持续向铱（Ir）催化剂补充足量电子，从而使催化剂的高制氢效率得以长期维持。

研究团队将其应用于聚合物电解质膜水电解（PEMWE）装置后发现，与现有商用铱（Ir）纳米颗粒催化剂相比，性能提升最高达75倍，达到了世界领先水平，同时在高电流密度下长时间运行也展现出优异的耐久性。

含有多余电子储存库的氧化物半导体作为载体时的制氢催化性能。图片来源=KAIST提供

Jung 教授补充表示：“一般认为半导体技术与制氢是差异极大的两个领域，但我们通过精密半导体工艺技术，实现了传统合成技术难以获得的独特成分材料，从而取得了高效率，这一研究很好地展示了技术领域间融合的重要性。”KIST 的 Kim Jinyoung 博士则指出：“在仅使用原有贵金属催化剂十分之一以下用量的情况下，仍然实现了不逊于原有水平的性能，预计通过后续研究，有望进一步提高绿色制氢的经济性。”