原子控制的MXenes可实现经济高效的绿色氢气生产

全球共有137个国家签署了“净零”气候变化协议，承诺到2050年停止使用化石燃料，实现零碳排放。氢能被誉为下一个绿色能源，因为其作为能源使用时只会排放水和氧气。

制氢方法根据能源来源及碳排放不同，可分为灰氢、蓝氢、绿氢，其中绿氢制氢法是利用绿色能源电解水制氢，无碳排放，是最环保的方法。

韩国科学技术研究院(KIST)未来移动电磁干扰解决方案融合研究中心和材料结构研究中心的AlbertSungSooLee博士领导的研究团队与成均馆大学ChongMinKoo教授的团队合作，开发出了一种氧化稳定的钼基MXene，作为阴离子交换膜水电解器的电催化剂载体。

由于其在氧化高压条件下的稳定性，如果将其作为电解催化剂的载体，可以作为绿色制氢的析氧反应电极材料，降低绿色制氢的成本。

水电解器装置的性能和耐久性取决于使用各种MXene载体的催化剂。图片来源：韩国科学技术研究院

水分解成氢和氧分子需要大量能量。为了降低初始反应能量，需要使用催化剂，催化剂由微小的纳米级颗粒组成，尺寸越小，表面积越大，反应就越容易进行。

然而，随着时间的推移，小的催化剂颗粒会聚集，从而减少表面积并降低制氢效率。为了防止这种情况，催化剂和载体一起使用，碳主要用于产生氢气的阴极，但当碳用于阳极的氧化反应时，它会被氧化成二氧化碳。因此，需要具有高抗氧化性的载体。

一种可用作载体的材料是MXene。MXene是由金属原子(Ti、Mo、Hf、Ta等)和碳或氮原子组成的纳米材料，具有导电性能，具有适合用作催化剂载体的二维纳米结构，有利于制氢。

钛基MXenes因其高电导率而成为研究最广泛的材料。然而，钛原子的性质，在水中易被氧化，导致催化剂无法保持高电导率的固有缺点。为了克服这个问题，该团队设计了一种新的阳极催化剂，使用钼碳化物基MXene作为载体。

当采用钼基MXene作为载体时，MXene表面的钼原子和活性材料钴之间会产生强的化学键。

由此产生的化学键使制氢效率提高了约2.45倍。特别是，与最近的钛基MXene的结果(持续时间不到40小时)相比，单元电池的耐用性提高了10倍以上。

此举有望降低绿色氢气生产成本，并将在未来应用于大型制氢工厂和大型绿色氢气发电站。

KIST的AlbertSungSooLee博士表示：“通过控制构成MXene的元素，我们能够找到适合绿色制氢环境的候选材料，并通过这种方式，我们在氧化环境中获得了稳定的MXene支撑。”

“未来我们将通过开发具有催化效率和耐久性的产氧电极催化剂，为氢能经济的振兴做出贡献。”