日本研究人员开发水电解制氢定制催化剂 寿命延长近4000%且更可持续

盖世汽车讯 据外媒报道，由日本理化学研究所可持续资源科学中心（CSRS）Ryuhei Nakamura领导的研究团队改进了他们的绿色和可持续性方法，采用定制的化学反应催化剂来从水中提取氢。相关论文中详细介绍了如何操控催化剂的3D结构，从而提高稳定性并将催化剂的寿命延长近4000%。这些发现将有助于实现持久和可持续的氢能经济。

（图片来源：nature.com）

利用质子交换膜进行水电解是一种绿色的电化学方法，可将水分解为氧和氢。通过这种方式产生的氢气可以储存起来供以后使用。例如，当与质子交换膜（PEM）燃料电池结合使用时，所储存的氢可用来为电动汽车提供动力。然而，PEM电解法仍存在局限性，影响了其在发电厂等工业领域的广泛应用。尤其是其中必要的化学反应发生在高酸性环境中，而这些反应的最佳催化剂是铱等极为稀有的稀土金属。Nakamur表示：“将PEM电解扩展到太瓦规模需要相当于40年使用的铱，这无疑是不切实际的，而且非常不可持续。”

大约两年前，Nakamura及其团队开发出突破性工艺，可以不依赖稀土金属来进行酸性水电解。通过在氧化钴晶格中插入锰，研究人员创造出只依赖常见金属的工艺。尽管取得了成功，但该过程仍不像PEM电解槽中所需要的那样稳定。现在，在之前发现的基础上，研究人员开发出寿命更长且地球储量丰富的催化剂。

新催化剂是一种氧化锰（MnO2）。关键发现是通过改变催化剂的晶格结构，反应稳定性可以提高40倍以上。氧化锰3D晶格结构中的氧有两种结构，包括平面结构和金字塔结构，其中平面版本的氧可以与锰形成更强的键。研究人员发现，提高晶格中的平面氧含量，可以明显增强催化稳定性。  

研究人员测试了四种不同的锰氧化物，其中平面氧含量各异。当使用可以实现最高百分比（94%）的版本时，关键的析氧反应在1000 mA/cm2下可以在酸中维持一个月。在这种情况下转移的电荷总量是以前研究中见到的100倍。

当在PEM电解槽中进行测试时，水电解可以在200 mA/cm2下持续约6周。在这段时间内电解水的总量，以及由此产生的氢量，是以前使用其他非稀有金属催化剂所达到的10倍。该研究共同第一作者Shuang Kong表示：“令人惊奇的是，稳定性的提高并没有以活性为代价，虽然通常情况下是这样的。PEM水电解槽使用地球储量丰富的催化剂，能够以200 mA/cm2的速率产生氢气，效率非常高。”

未来，还有很多工作要做。工业应用通常需要1000 mA/cm2的稳定电流密度（需要持续数年，而不是一个月）。尽管如此，研究人员认为这最终有望投入现实应用，并有助于实现碳中和。Nakamura表示：“研究人员将继续改进催化剂结构，以提高电流密度和催化剂寿命。从长远来看，这些努力应该有助于所有利益相关者实现最终目标，即在不使用铱的情况下进行PEM水电解。”

与此同时，研究人员希望，这项发现将进一步激发人们对可持续制氢的兴趣，以将其作为减缓由化石燃料引起的气候变化的现实解决方案。