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由Ryuhei nakamaru領(lǐng)導(dǎo)的日本理化學(xué)研究所可持續(xù)資源科學(xué)中心(CSRS)的一個研究小組發(fā)現(xiàn)了一種從水中生產(chǎn)氫氣的可持續(xù)和實用的新方法。跟目前的方法不同，這種新方法不需要昂貴或供應(yīng)短缺的稀有金屬。

相反，用于燃料電池和農(nóng)業(yè)肥料的氫氣現(xiàn)在可以用鈷和錳這兩種相當(dāng)常見的金屬來生產(chǎn)。這項研究發(fā)表在《Nature Catalysis》上。

跟燃燒時產(chǎn)生二氧化碳的傳統(tǒng)化石燃料不同的是，氫氣是一種清潔燃料，只產(chǎn)生水作為副產(chǎn)品。如果可以利用可再生電力從水中提取氫氣，那么能源網(wǎng)就可以變得清潔、可再生和可持續(xù)。此外，氫氣是生產(chǎn)氨氣所需的關(guān)鍵成分，而氨氣幾乎用于所有合成肥料。但目前，合成氨工廠不是從水中清潔地提取氫氣，而是使用化石燃料來生產(chǎn)他們所需要的氫氣。

那么為什么我們還在使用化石燃料？其中一個原因是，氫氣提取過程本身--電解--是昂貴的且尚不具有可持續(xù)性。

“這主要是由于缺乏良好的催化劑，”Nakamura說道，“除了能夠承受惡劣的酸性環(huán)境之外，催化劑必須非?；钴S。如果不是這樣，生產(chǎn)一定數(shù)量的氫氣所需的反應(yīng)電量就會飆升，隨之而來的是成本的增加。”


目前，用于水電解的最活躍的催化劑是鉑和銥這樣的稀有金屬，這就造成了一個兩難的局面，因為它們很昂貴，而且被認(rèn)為是金屬中的“瀕危物種”。現(xiàn)在將整個地球轉(zhuǎn)為氫燃料將需要約800年的銥生產(chǎn)量，這個數(shù)量可能甚至不存在。另一方面，豐富的金屬如鐵和鎳則不夠活躍，往往在惡劣的酸性電解環(huán)境中立即溶解。

在尋找更好的催化劑的過程中，研究人員注意到了鈷和錳的混合氧化物。鈷氧化物對于所需的反應(yīng)來說可以是活躍的，但在酸性環(huán)境中會很快被腐蝕。錳氧化物則更穩(wěn)定，但活性還不夠高。通過結(jié)合它們，研究人員希望能利用它們的互補(bǔ)特性。另外，他們還必須考慮實驗室外實際應(yīng)用所需的高電流密度。這項研究的論文共同第一作者Shuang Kong說道：“對于工業(yè)規(guī)模的氫氣生產(chǎn)，我們需要將我們研究的目標(biāo)電流密度設(shè)定為是過去實驗中使用的電流密度的10到100倍左右。高電流導(dǎo)致了一些問題，如催化劑的物理分解。”

最終，該團(tuán)隊通過試驗和錯誤克服了這些問題，另外他們還通過將錳插入Co3O4的尖晶石晶格以產(chǎn)生混合鈷錳氧化物Co2MnO4發(fā)現(xiàn)了一種活躍和穩(wěn)定的催化劑。

測試表明，Co2MnO4的性能非常好。活化水平則接近于最先進(jìn)的銥氧化物。此外，新的催化劑在每平方厘米200毫安培的電流密度下持續(xù)了兩個多月，這可能使它在實際使用中變得有效。跟其他非稀有金屬催化劑相比，它們通常只能在低得多的電流密度下持續(xù)幾天或幾周，新的電催化劑則可能是一個游戲規(guī)則的改變者。

研究論文共同第一作者Ailong Li指出：“我們已經(jīng)實現(xiàn)了數(shù)十年來科學(xué)家們都無法實現(xiàn)的目標(biāo)。使用由豐富的金屬制成的高活性和穩(wěn)定的催化劑來生產(chǎn)氫氣。從長遠(yuǎn)來看，我們相信這是朝著創(chuàng)造一個可持續(xù)的氫氣經(jīng)濟(jì)邁出的一大步。就像其他可再生技術(shù)如太陽能電池和風(fēng)力發(fā)電，我們預(yù)計隨著更多的進(jìn)展，綠色氫氣技術(shù)的成本在不久的將來會急劇下降。”

實驗室的下一步將是找到延長新催化劑的壽命并進(jìn)一步提高其活性水平的方法。“總是有改進(jìn)的余地。我們繼續(xù)努力尋找一種非稀有金屬催化劑從而使其性能跟目前的銥和鉑催化劑相匹配，”Nakamaru說道。

原標(biāo)題：科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一種新可持續(xù)方法來制造用于燃料電池和化肥的氫氣