随着世界正在从以化石燃料为基础的能源经济转型，许多人都寄希望于氢能成为主要的能源货币。但是，不使用化石燃料生产"绿色"氢气还不可能达到我们需要的规模，因为这需要铱，一种极其稀有的金属。

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日本理化学研究所可持续资源科学中心（CSRS）的中村隆平（Ryuhei Nakamura）领导的研究人员在今天（5 月 9 日）发表在《科学》杂志上的一项研究中报告了一种新方法，该方法将反应所需的铱量减少了 95%，而且不会改变氢的生产率。这一突破将彻底改变我们生产生态友好型氢气的能力，并有助于实现碳中和的氢经济。

合成氧化铱的扫描电子显微镜图像（D）和分散在电沉积在耐腐蚀铂涂层钛网上的氧化锰上的铱（亮点）的扫描透射电子显微镜图像（E、F、G）。资料来源：理化学研究所

制氢挑战

世界上 70% 的面积被水覆盖，氢气是真正的可再生能源。然而，从水中提取氢气的规模还无法与化石燃料能源生产相媲美。目前，全球能源产量接近 18 兆瓦，这意味着在任何特定时刻，全球平均生产约 18 万亿瓦特的电力。替代性绿色能源生产方式要想取代化石燃料，就必须能够达到相同的能源生产率。

从水中提取氢气的绿色方法是一种需要催化剂的电化学反应。这种反应的最佳催化剂--产氢率最高、最稳定的催化剂--是稀有金属，其中铱是最好的催化剂。但铱的稀缺是个大问题。共同第一作者孔爽说："铱是如此稀有，以至于将全球氢气生产规模扩大到太瓦级估计需要40年的铱。"

催化剂开发的创新

理化学研究所 CSRS 的生物功能催化剂研究小组正试图绕过铱的瓶颈，寻找其他方法来长时间高速生产氢气。从长远来看，他们希望开发出基于普通土金属的新型催化剂，这种催化剂将具有高度的可持续性。事实上，该团队最近使用一种氧化锰作为催化剂，成功地将绿色制氢稳定在一个相对较高的水平。不过，以这种方式实现工业水平的生产还需要数年时间。

中村隆平说："我们需要一种方法来弥合稀有金属电解槽与普通金属电解槽之间的差距，这样我们就能在多年内逐步过渡到完全可持续的绿色氢气。"目前的研究正是通过将锰与铱相结合来实现这一目标。研究人员发现，当他们把铱原子分散在一块氧化锰上，使它们不会相互接触或凝结在一起时，质子交换膜（PEM）电解槽中的氢气产生速度与单独使用铱时相同，但铱含量减少了 95%。

潜力和未来方向

使用这种新型催化剂，可以连续生产氢气超过 3000 小时（约 4 个月），效率高达 82%，且无降解。合著者李爱龙说："氧化锰和铱之间意想不到的相互作用是我们取得成功的关键。这是因为这种相互作用产生的铱处于罕见的高活性 +6 氧化态"。

中村隆平认为，新催化剂达到的制氢水平极有可能立即派上用场。他说："我们希望我们的催化剂能够很容易地转移到现实世界的应用中，这将立即提高目前 PEM 电解器的容量。"

研究小组已经开始与工业界的合作伙伴合作，他们已经能够改进最初的铱锰催化剂。今后，理化学研究所 CSRS 研究人员计划继续研究铱和氧化锰之间的特定化学作用，希望能进一步减少必要的铱含量。同时，他们将继续与工业合作伙伴合作，并计划在不久的将来在工业规模上部署和测试这种新型催化剂。

编译来源：ScitechDaily