總有一天，人們可以將水電解的氫和氧用作燃料，并使之成為供暖和照明的無限能源……

這一種出現(xiàn)在一個多世紀前的科幻小說中的“未來燃料”，如今已經(jīng)觸手可及，成為現(xiàn)實。

氫能源汽車、氫燃料電池……越來越多的氫能源高科技產品進入了公眾視野。如何才能獲得這種高效又環(huán)保的能源，一直是眾多科研工作者努力探索的問題。

近日，揚州大學物理科學與技術學院教授許小勇團隊開創(chuàng)性地提出了一種通過二維過渡金屬碳化物介導重構，保持電解水制氫催化劑活性持久穩(wěn)定的新方法。

在此基礎上，團隊成功研發(fā)了一種高性能的鎳鐵氫氧化物催化劑，實現(xiàn)了綠色氫能制造工藝的“廉價高效”，為實現(xiàn)環(huán)境和能源的可持續(xù)發(fā)展提供了一種潛在的解決方案。相關研究成果發(fā)表于美國《國家科學院院刊》。

“氫”風襲來：降本增效成關鍵

隨著社會的不斷進步和科技的飛速發(fā)展，人類所依賴的化石燃料正被過度消耗，導致的能源危機和環(huán)境污染問題日益凸顯。發(fā)展清潔能源，提升能源含“綠”量，成為當務之急。

氫能是一種清潔低碳、靈活高效的能源，對于促進全球經(jīng)濟脫碳有著不可或缺的替代作用，被認為是21世紀最具發(fā)展?jié)摿Φ囊环N二次清潔能源。

根據(jù)氫氣制取過程的碳排放強度，氫氣被分為“灰氫”“藍氫”和“綠氫”三類。許小勇告訴《中國科學報》：“目前，市面上超過98%的氫氣來源于化石燃料，即所謂灰氫。灰氫雖然價格相對較低，每公斤的成本大約在9至14元之間，但其生產過程往往伴隨大量的二氧化碳排放，這與我們追求的‘雙碳’目標背道而馳。”

與此同時，利用可再生能源進行電化學水分解制氫(即綠氫)，雖然無須擔憂碳排放問題，但在當前工業(yè)化生產中仍面臨著能耗高、效率低的挑戰(zhàn)，嚴重限制了其規(guī)模化應用的前景。

許小勇進一步分析了造成這一困局的根源：水分子以其卓越的穩(wěn)定性著稱，必須在充沛的電能輸入和高效催化劑的共同作用下，方能實現(xiàn)斷鍵，進而分離出氫分子。“若我們僅僅著眼于提升電流密度，而忽視催化劑活性的改進，不僅會增加電能消耗，還可能事倍功半。”他表示。

目前，市場上廣泛應用的催化劑主要是貴金屬催化劑，盡管它們表現(xiàn)出卓越的穩(wěn)定性，但高昂的成本和相對較低的商業(yè)化程度限制了其廣泛應用。數(shù)據(jù)顯示，電解水制取一公斤氫氣的成本大約在32~35元之間，大大超過了通過化石能源制取氫氣的成本。

在此背景之下，綠色氫能經(jīng)濟要想實現(xiàn)工業(yè)化、普及化及商業(yè)化，必須攻克催化劑“降本增效”這一重大難題。

重組“CP”：廉價催化劑的重構

長期以來，許小勇團隊一直致力于電解水制氫“廉價高效”催化劑的研究。

團隊研究發(fā)現(xiàn)，鎳鐵氫氧化物催化劑在電解過程中展現(xiàn)出了卓越的“領跑”能力。其優(yōu)勢在于，不僅能夠顯著降低電解過程中的能量損耗，提高電解效率，還具備成本低和資源儲備豐富等顯著優(yōu)勢。這使得其成為貴金屬催化劑的理想替代品。

“但在持續(xù)電解水的過程中，這種催化劑會發(fā)生鐵元素泄漏，并且活性隨之下降。”許小勇指出，這也是制約其在電解水制氫中廣泛應用的難題。

為攻克這一難題，研究團隊獨具匠心地設計了一種解決方案，即通過二維過渡金屬碳化物介導重構的方法，精確調控鐵位點在催化劑結構中的配位狀態(tài)，從而確保催化活性的持久穩(wěn)定。

“在重構過程中，原本催化劑中的‘鐵-碳氮-鎳’配位發(fā)生了改變，在電解水反應過程中，鐵元素流失到電解液中，二維過渡金屬碳化物將流失到電解液中的部分鐵元素重新綁定，形成新的‘鐵-氧’配位。”論文第一作者、揚州大學物理科學與技術學院碩士研究生虞倩形象地比喻，“好比在一個舞會上，舞者換了新的舞伴后重組了‘CP(配對)’。”

“此外，將二維過渡金屬碳化物作為介導物也是保證重構試驗成功的關鍵因素。”團隊成員之一、揚州大學物理科學與技術學院博士生李成表示。

據(jù)悉，團隊在前期投入了大量時間和精力，對各種材料進行深入研究。他們驚喜地發(fā)現(xiàn)，二維過渡金屬碳化物的表面攜帶電負性基團，它為錨定催化劑中的鐵位點提供了極為有利的條件。此外，該材料還具有出色的導電性和親水性，無疑成為了試驗材料的首選。

“在重構配位后，催化劑在電解水制氫過程中起到了加快反應速率的作用，同時還能為自身的鐵位點筑起一道堅實的防護屏障，抵御氧化的侵襲，從而提高整個電解水過程的效率和穩(wěn)定性。”李成表示。

持續(xù)探索：對接產業(yè)需求

“在實際的工業(yè)環(huán)境下，為了實現(xiàn)高效生產，水電解過程通常需要在大電流密度(>500毫安/平方厘米)的條件下進行。”許小勇強調，這一要求使得傳統(tǒng)操作方式無法滿足水電解制氫工業(yè)化發(fā)展的需求。

據(jù)悉，傳統(tǒng)的鎳鐵氫氧化物催化劑在進行電解水制氫時，隨著電流量的增加，其活性會逐漸降低。這一現(xiàn)象在大電流密度的條件下表現(xiàn)得尤為顯著。

不過，在團隊的最新試驗中，通過二維過渡金屬碳化物介導重構得到的鎳鐵基催化劑在電流密度大幅提升至1000毫安/平方厘米時，依然能展現(xiàn)出卓越的催化性能。

“據(jù)我們所知，目前在超過500 毫安/平方厘米的工業(yè)級電流密度下，關于鎳鐵氫氧化物催化劑的耐久性幾乎鮮有報道。”許小勇說，“這意味著，我們的研究成果為水電解制氫工業(yè)的大規(guī)模發(fā)展提供了依據(jù)和可能。”

“未來，團隊將對接產業(yè)需求，加大力度投入制氫裝備的自主研發(fā)，持續(xù)開展可再生能源制氫等關鍵技術攻關，實現(xiàn)技術升級，力爭為領跑‘零碳時代’貢獻更大力量。”許小勇表示。

相關論文信息：

https://doi.org/10.1073/pnas.2319894121

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