定制催化剂可实现更持久更可持续的绿色氢气生产

日本理化学研究所可持续资源科学中心(CSRS)的RyuheiNakamura领导的研究人员通过使用定制的化学反应催化剂，改进了从水中提取氢气的绿色和可持续方法。

该研究发表在《自然催化》杂志上，详细介绍了他们如何操纵催化剂的3D结构，从而提高稳定性并将催化剂的寿命延长近4000%。这些发现影响了实现持久和可持续的氢能源经济的能力。

使用质子交换膜的水电解是一种将水分解为氧气和氢气的绿色电化学过程。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，储存的氢气可用于为电动汽车提供动力。然而，质子交换膜电解仍然存在局限性，阻碍了其在发电厂等工业领域的广泛应用。

特别是，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极稀土金属，例如铱。

正如Nakamura解释的那样，“将PEM电解扩大到太瓦级需要40年的铱，这当然不切实际，而且极不可持续。”

大约两年前，中村和他的团队开发了一种突破性的工艺，可以不依赖稀土金属进行酸性水电解。通过将锰插入氧化钴晶格中，他们创建了一种仅依赖于常见且可持续的地球金属的工艺。

尽管取得了成功，但该过程仍然不如PEM电解槽中所需的稳定。现在，他们在之前的发现的基础上开发出了一种更持久的地球丰富的催化剂。

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：平面结构和金字塔结构。平面版本与锰形成更强的键，研究人员发现，增加晶格中平面氧的含量可以显着增强催化稳定性。

他们测试了四种不同的锰氧化物，它们的平面氧百分比各不相同。当使用可达到的最高百分比(94%)的版本时，关键的析氧反应可以在酸中以1000mA/cm2维持一个月。在这种情况下转移的电荷总量是之前研究中所见的100倍。

在PEM电解槽中测试时，水电解可以在200mA/cm2下持续约6周。在此期间电解的水总量以及由此产生的氢气量是过去其他非稀有金属催化剂的10倍。

“令人惊讶的是，”共同第一作者ShuangKong说，“稳定性的提高并没有以牺牲活性为代价，而这通常是这种情况。一种PEM水电解槽，使用地球上储量丰富的催化剂以200mA的速率产生氢气/厘米2效率很高。”

还有工作要做。工业应用通常需要1000mA/cm2的稳定电流密度工业应用通常需要持续数年而不是一个月的。尽管如此，研究人员认为，有形的、现实世界的应用最终将成为可能，并有助于碳中和。

“我们将继续修改催化剂结构，以提高电流密度和催化剂寿命，”中村说。“从长远来看，我们的努力应该有助于实现所有利益相关者的最终目标——在不使用铱的情况下进行质子交换膜水电解。”

与此同时，研究人员希望他们的发现将进一步激发公众对可持续氢气生产的兴趣，将其作为减缓化石燃料相关气候变化的现实解决方案。