日本一個研究小組在制氫方面取得了突破，在不影響效率的情況下，將對銥（Iridium）的需求減少了95%，爲可持續的大規模氫能解決方案鋪平了道路。

隨著世界正在從以化石燃料爲基礎的能源經濟轉型，許多人押注氫將成爲主導的能源貨幣。但是，在不使用化石燃料的情況下生産“綠色”氫，目前還不可能達到我們所需的規模，因爲它需要銥（Iridium）這種極其稀有的金屬。

在5月9日發表在《科學》雜志上的一項研究中，由日本理研可持續資源科學中心（CSRS）的中村龍平（Ryuhei Nakamura）領導的研究人員報告了一種新方法，該方法可以將反應所需的銥量減少95%，而不會改變氫氣的産生速度。這一突破可能會徹底改變我們生産生態友好型氫氣的能力，並幫助引領碳中性氫經濟。

制氫挑戰

世界上70%的面積被水覆蓋，氫是一種真正的可再生能源。然而，從水中提取氫氣的規模尚不可能與基于化石燃料的能源生産相媲美。目前全球能源産量約爲18太瓦，這意味著在任何給定時刻，全球平均約有18萬億瓦的電力在生産。對于替代的綠色能源生産方法來取代化石燃料，它們必須能夠達到相同的能源生産速度。

從水中提取氫的綠色方法是需要催化劑的電化學反應。這種反應最好的催化劑 —— 也就是産氫率最高、産氫最穩定的催化劑 —— 是稀有金屬，其中銥（Iridium）是最好的。但銥的稀缺是個大問題。“銥是如此罕見，以至于將全球氫氣生産規模擴大到太瓦規模估計需要40年的銥，”共同第一作者孔爽（音譯）說。

催化劑開發創新

RIKEN CSRS的生物功能催化劑研究小組正試圖繞過銥瓶頸，尋找其他長時間高速率生産氫的方法。從長遠來看，他們希望開發出基于普通地球金屬的新型催化劑，這將是高度可持續的。事實上，該團隊最近成功地利用一種氧化錳作爲催化劑，將綠色氫的生産穩定在一個相對較高的水平。然而，以這種方式實現工業水平的生産仍需數年時間。

“我們需要一種方法來彌合稀有金屬和普通金屬電解槽之間的差距，這樣我們就可以在多年內逐步過渡到完全可持續的綠色氫，”中村龍平說。目前的研究正是通過將錳和銥結合起來來做到這一點。研究人員發現，當他們將單個銥原子分散在一塊氧化錳上，使它們彼此不接觸或聚集在一起時，質子交換膜（PEM）電解槽中的氫産量與單獨使用銥時保持相同的速度，但銥的使用量減少了95%。

潛力及未來發展方向

使用這種新型催化劑，可以以82%的效率連續生産氫氣超過3000小時（約4個月）而不會降解。“氧化錳和銥之間意想不到的相互作用是我們成功的關鍵，”合著者李愛龍（音譯）說。“這是因爲，這種相互作用産生的銥處于罕見且高活性的+6氧化態。”

中村龍平認爲，用這種新催化劑實現的氫氣生産水平具有很高的潛力，可以立即使用。“我們希望我們的催化劑能夠很容易地轉移到實際應用中，”他說，“這將立即增加當前PEM電解槽的容量。”

該團隊已經開始與工業界的合作夥伴合作，他們已經能夠改進最初的銥錳催化劑。展望未來，理研CSRS的研究人員計劃繼續研究銥和氧化錳之間的特定化學相互作用，希望進一步減少必要的銥量。與此同時，他們將繼續與工業夥伴合作，並計劃在不久的將來在工業規模上部署和測試這種新型催化劑。

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