新型催化剂不含稀有金属 可提高反应活性/降低制氢成本

据外媒报道，日本理化学研究所可持续资源科学中心(CSRS)等机构的研究团队发现了一种从水中提取氢的新方法。这种新方法可持续、实用，不需要使用昂贵且储量较少的稀有金属。与当前方法不同，现在可以使用钴和锰这两种常见的金属来生产氢，以用于燃料电池和农业肥料。

传统化石燃料在燃烧时产生二氧化碳。相比之下，氢是一种清洁燃料，所产生的副产物只有水。如果利用可再生电力从水中提取氢气，可使电网变得清洁、可再生且可持续。此外，氢是生产氨所需的关键成分，而几乎所有的合成肥料都要用到氨。目前，氨厂使用化石燃料生产所需的氢，而不是利用水清洁制氢。

但是，目前的水电解制氢过程成本高且不可持续。这主要是因为缺乏良好的催化剂，除了能承受恶劣的酸性环境，催化剂还必须具有非常高的活性。反之，制取一定量氢所需的电量就会飙升，成本也将随之升高。目前最活跃的水电解催化剂是铂、铱等稀有金属。这些金属价格昂贵，被认为是金属中的“濒危物种”。现在，要实现全球改用氢燃料，大约需要800年的铱产量，地球上可能根本没有这么多的铱。另一方面，铁、镍等金属储量丰富，但活性不够，在恶劣的酸性电解环境中有可能立即溶解。

为了寻找更好的催化剂，研究人员着眼于钴和锰的混合氧化物。钴氧化物具有必要的反应活性，但在酸性环境中腐蚀得非常快。锰氧化物更加稳定，然而不够活跃。研究人员将二者结合在一起，希望充分利用互补特性。此外，还必须考虑到实际应用时所需的高电流密度。研究人员Kong Shuang表示：“对于工业规模制氢，需要将目标电流密度设定为以往实验值的10-100倍。这种高电流会引起诸多问题，如催化剂物理分解。”

最终，该团队通过反复试验克服了这些问题。通过在Co3O4的尖晶格中插入锰生产出混合钴锰氧化物Co2MnO4，从而发现了一种活跃、稳定的催化剂。测试表明，Co2MnO4性能良好，其活跃程度接近领先的铱氧化物。此外，在电流密度为200毫安/平方厘米的情况下，这种新催化剂可以使用两个多月，有望有效地投入实际应用。相比之下，在电流密度低得多的情况下，其他非稀有金属催化剂通常只能使用几天或几周。这种新型电催化剂或将改变游戏规则。

研究人员预计，随着技术进步，绿色氢燃料技术的成本，将在不久的将来大幅下降。研究人员将继续寻找方法，以延长新催化剂的使用寿命，并进一步提高其活性水平。