随着世界从基于化石燃料的能源经济转型，许多人寄希望于氢能成为主导的能源货币。但目前，不使用化石燃料生产“绿色”氢还无法在我们需要的规模上实现，因为这一过程需要使用到极其稀有的金属——铱。
日本RIKEN可持续资源科学中心（CSRS）的研究人员在《科学》杂志上发表的一篇研究中报告了一种新方法，该方法将铱的使用量减少了95%，同时保持了氢生产的速率，这一突破可能彻底改变我们生产生态友好型氢的能力，并帮助引入碳中和的氢经济。
氢是一种真正的可再生能源，但要从水中提取氢，以能够与基于化石燃料的能源生产相媲美的规模进行，目前还无法实现。目前全球能源生产几乎达到18太瓦，这意味着在任何给定时刻，全球平均产生约18万亿瓦的电力。为了替代化石燃料，替代的绿色能源生产方法必须能够达到相同的能源生产速率。
绿色提取水中氢的方法是通过电化学反应，这需要催化剂。迄今为止，最好的催化剂是稀有金属，其中铱是最佳选择。但铱的稀缺性是一个大问题。“铱非常稀有，以至于将全球氢生产扩大到太瓦规模，估计需要40年的铱储量，”共同第一作者Shuang Kong说。
RIKEN CSRS的生物功能催化剂研究团队正试图绕过铱的瓶颈，寻找其他能够长时间高速率生产氢的方法。长远来看，他们希望开发基于常见地球金属的新催化剂，这将是高度可持续的。事实上，该团队最近成功地使用一种锰氧化物作为催化剂，稳定了绿色氢的生产，达到了相对较高的水平。然而，以这种方式实现工业级生产仍然有几年的时间。
“我们需要一种方法来弥合基于稀有金属和基于常见金属的电解器之间的差距，这样我们就可以逐渐过渡多年，完全实现可持续的绿色氢，”Nakamura说。当前的研究正是通过将锰与铱结合来实现这一点。研究人员发现，当他们在锰氧化物上分散单个铱原子，使它们不接触或聚集在一起时，质子交换膜（PEM）电解器中的氢生产可以以与单独使用铱时相同的速率维持，但铱的使用量减少了95%。
有了这种新催化剂，连续氢生产超过3000小时（约4个月）在82%的效率下成为可能，而没有退化。“锰氧化物和铱之间意想不到的相互作用是成功的关键，”共同作者Ailong Li说。“这是因为由此产生的铱处于罕见且高度活跃的+6氧化态。”
Nakamura认为，新催化剂实现的氢生产水平具有立即实用性的高潜力。“我们期望我们的催化剂能够轻松地转移到实际应用中，”他说，“这将立即增加当前PEM电解器的容量。”
研究团队已经开始与行业合作伙伴合作，他们已经能够改进最初的铱-锰催化剂。展望未来，RIKEN CSRS研究人员计划继续研究铱和锰氧化物之间的具体化学相互作用，希望进一步减少必要的铱的量。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新催化剂。
这项研究不仅展示了在氢能源生产中减少稀有金属依赖的潜力，而且强调了催化剂创新在推动绿色能源转型中的重要性。那么，您如何看待这种新型催化剂在氢能源生产中的应用前景？您认为它将如何影响全球能源结构和环境可持续性？欢迎在评论区分享您的想法，与我们共同探讨这一激动人心的能源技术进步。
参考资料：DOI： 10.1126/science.adg5193
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