探索宇宙奥秘 · 理性思考
传统电解水制氢有个尴尬的现实：阴极产氢固然宝贵，阳极产生的氧气却卖不上价钱。更麻烦的是，析氧反应占去了电解槽九成的能耗。这种"一半天堂一半鸡肋"的困境，长期困扰着绿氢产业化。
中国科学院国家纳米科学中心近日提出新思路。他们设计出一种Rh1Cu单原子合金催化剂，把阳极的"废水废气"变成高附加值化学品，同时让制氢效率显著提升。这项成果发表在《德国应用化学》。
电解水制氢的原理并不复杂。电流通过电解液，水分子在阴极被还原成氢气，在阳极被氧化成氧气。问题在于，阳极的析氧反应动力学迟缓，需要很高的过电位才能驱动。
这意味着大量电能被浪费在产生低价值的氧气上。工业界一直在寻找替代路径，希望用有机物氧化反应取代析氧反应，从而同时收获氢气和有价值的化学品。
找到既能高效氧化有机物、又不牺牲制氢效率的催化剂，是个难题。很多材料要么选择性差，要么稳定性不足，难以走出实验室。
研究团队把目光投向了甲醛。这种常见的工业原料和污染物，氧化后可以生成甲酸。甲酸是重要的化工原料，其钾盐更是优质的饲料添加剂，市场价格远高于氧气。
他们构建了Rh1Cu单原子合金催化剂。这种材料把稀有的铑（Rh）以单原子形式分散在铜（Cu）基底上，形成"主客双位点"结构。
实验数据显示，该催化剂在甲醛电氧化反应中表现出超低过电位和超高电流密度。法拉第效率接近理论值，意味着几乎所有的电子都用来生成目标产物，副反应被极大抑制。
更关键的是，这种设计大幅降低了贵金属用量。单原子分散让每一颗铑原子都参与催化，铜基底的引入则进一步降低了成本。
为了理解为何这种材料如此高效，研究团队进行了原位表征和理论计算。他们发现，Rh和Cu之间存在协同效应。
铑位点负责吸附和活化甲醛分子，铜位点则调控电子结构，优化反应中间体的吸附能。这种"主客配合"打破了单一金属表面的比例关系限制，让反应路径变得更为顺畅。
这种机制具有良好的普适性。研究表明，类似的纳米催化位点构筑策略可以推广到其他双金属体系和多种醛类分子的电氧化反应中。
这意味着，未来可能通过调控不同金属的组合，实现对特定化学品的选择性合成，而不仅仅是制氢。
当前，中国可再生能源装机量全球第一，绿氢制备是消纳风光电力的关键。但单纯制氢经济性仍显不足，耦合高附加值化学品生产，是提升产业竞争力的重要方向。
近年来，中国科学家在单原子催化、电解水器件集成等方面持续突破。从中科院大连化物所的碱性电解水技术，到清华大学的高温固体氧化物电解，再到此次国家纳米科学中心的耦合氧化策略，中国绿氢技术路线呈现多元化发展态势。
特别值得注意的是，中国在甲醛等有机物电催化转化领域已形成特色优势。通过把环境治理（甲醛去除）、能源转化（绿氢生产）和化工合成（甲酸制备）三重目标耦合，这种技术路线高度契合"双碳"战略需求。
当然，从实验室到工业化还有距离。催化剂的长期稳定性、电解槽的放大设计、产物分离纯化，都是需要攻克的工程难题。但原子级精准构筑催化剂的理念，已为下一代绿氢技术指明了方向。
当电解槽不再只是"吞电吐氢"的单一设备，而是变成"绿电消纳-绿氢制造-绿化联产"的耦合平台，氢能经济的商业逻辑将被彻底改写。中国团队正站在这个变革的前沿。
中国科学院国家纳米科学中心. 耦合产氢电极材料开发取得进展. 中国科学院官网.
Y. Li et al., Rh1Cu Single-Atom Alloys for Coupled Hydrogen Evolution and Aldehyde Oxidation. Angewandte Chemie International Edition, 2025. DOI: 10.1002/anie.202515456.
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