一种为燃料电池和肥料制造氢气的新的、可持续的方法

由 Ryuhei Nakamura 领导的日本 RIKEN 可持续资源科学中心 (CSRS) 的一组研究人员发现了一种从水中生产氢气的新的可持续且实用的方法。与目前的方法不同，新方法不需要昂贵或供不应求的稀有金属。相反，现在可以使用钴和锰这两种相当常见的金属来生产用于燃料电池和农业肥料的氢。该研究发表在《自然催化》上。

与燃烧时产生二氧化碳的传统化石燃料不同，氢气是一种清洁燃料，只会产生水作为副产品。如果可以使用可再生电力从水中提取氢气，那么能源网就可以变得清洁、可再生和可持续。此外，氢气是生产氨所需的关键成分，氨几乎用于所有合成肥料。但目前，合成氨工厂并没有从水中干净地提取氢气，而是使用化石燃料来生产所需的氢气。

那么为什么我们还在使用化石燃料呢?原因之一是氢提取过程本身——电解——成本高昂且尚不可持续。

“这主要是由于缺乏良好的催化剂，”中村说。“除了能够承受恶劣的酸性环境外，催化剂还必须非常活跃。否则，产生一定量氢气的反应所需的电量就会飙升，成本也会随之飙升。”

目前，最活跃的水电解催化剂是铂和铱等稀有金属，由于它们价格昂贵，被认为是金属中的“濒危物种”，因此造成了两难境地。现在将整个地球改用氢燃料需要大约 800 年的铱产量，这个数量甚至可能不存在。另一方面，铁和镍等丰富的金属活性不够，在恶劣的酸性电解环境中往往会立即溶解。

在寻找更好的催化剂时，研究人员研究了钴和锰的混合氧化物。氧化钴对所需反应具有活性，但在酸性环境中腐蚀非常快。锰氧化物更稳定，但活性不够。通过将它们结合起来，研究人员希望利用它们的互补特性。他们还必须考虑实验室外实际应用所需的高电流密度。“对于工业规模的氢气生产，我们需要将我们研究的目标电流密度设置为比过去实验中使用的电流密度高约 10 到 100 倍，”共同第一作者 Shuang Kong 说。“高电流导致了许多问题，例如催化剂的物理分解。”

最终，该团队通过反复试验克服了这些问题，通过将锰插入Co3O4的尖晶石晶格中，发现了一种活性稳定的催化剂，产生了混合钴锰氧化物Co2MnO4。

测试表明Co2MnO4表现非常好。活化水平接近于最先进的氧化铱。此外，新催化剂在每平方厘米200毫安的电流密度下持续了两个多月，这可以使其有效地用于实际应用。与其他在低得多的电流密度下通常只能持续数天或数周的非稀有金属催化剂相比，新的电催化剂可能会改变游戏规则。

“我们已经实现了科学家们几十年来一直未能实现的目标，”共同第一作者 Ailong Li 说。“使用由丰富金属制成的高活性和稳定催化剂生产氢气。从长远来看，我们相信这是朝着创造可持续氢经济迈出的一大步。与太阳能电池和风能等其他可再生技术一样，我们预计随着越来越多的进步，绿色氢技术的成本在不久的将来会直线下降。”

实验室的下一步将是寻找延长新催化剂寿命并进一步提高其活性水平的方法。“总有改进的余地，”Nakamura 说，“我们将继续努力寻找与当前铱和铂催化剂性能相匹配的非稀有金属催化剂。”