豐富的清潔能源供應就潛藏在我們的眼前。這就是利用可再生能源從水（H2O）中提取的氫。研究人員正在尋找具有成本效益的策略，從水中提取清潔氫氣，以取代化石燃料，應對氣候變化。氫氣是汽車的強大動力來源，只排放水。它在多個工業流程中也發揮著重要作用，尤其是在鋼鐵和合成氨的生產中。在這些工業中使用更清潔的氫氣將大有裨益。

由美國能源部（DOE）阿貢國家實驗室（Argonne National Laboratory）領導的一個多機構團隊開發出了一種低成本催化劑，用於從水中產生清潔氫氣的過程。其他貢獻者包括能源部的桑迪亞國家實驗室、勞倫斯伯克利國家實驗室以及Giner 公司。

阿貢高級化學家Di-Jia Liu 說：”一種名為電解的工藝可以從水中產生氫氣和氧氣，這種工藝已經存在了一個多世紀。”他還在芝加哥大學普利茲克分子工程學院擔任聯合職務。

質子交換膜（PEM）電解器代表了這一過程的新一代技術。它們能在接近室溫的條件下以更高的效率將水分離成氫和氧。能源需求的減少使其成為利用太陽能和風能等可再生但間歇性能源生產清潔氫氣的理想選擇。

高級化學家Di-Jia Liu 在管式爐內檢查熱處理後的催化劑樣品，博士後Chenzhao Li 正在搬運用於催化劑合成的壓力反應器。圖片來源：阿貢國家實驗室

這種電解器的每個電極（陰極和陽極）都使用不同的催化劑。陰極催化劑產生氫氣，而陽極催化劑形成氧氣。問題在於陽極催化劑使用的是銥，而銥目前的市場價格約為每盎司5000 美元。銥的供應不足和高昂的成本成為PEM 電解槽廣泛應用的主要障礙。

新催化劑的主要成分是鈷，其價格比銥便宜得多。Liu說：”我們試圖在PEM電解槽中開發一種低成本陽極催化劑，這種催化劑能以高產能產生氫氣，同時能耗極低。通過使用我們的方法製備的鈷基催化劑，可以消除在電解槽中生產清潔氫氣的主要成本瓶頸。

Giner 公司是一家致力於電解槽和燃料電池商業化的領先研發公司，該公司利用其PEM 電解槽測試站在工業運行條件下對新型催化劑進行了評估。其性能和耐用性遠遠超過了競爭對手的催化劑。

要進一步提高催化劑的性能，重要的是了解電解槽運行條件下原子尺度的反應機制。研究小組利用阿貢高級光子源(APS) 的X 射線分析，破解了催化劑在工作條件下發生的關鍵結構變化。他們還在桑迪亞實驗室和阿貢納米材料中心（CNM）使用電子顯微鏡確定了催化劑的關鍵特徵。APS 和CNM 都是能源部科學辦公室的用戶設施。

阿貢材料科學家文建國說：”我們對新催化劑在不同製備階段的表面原子結構進行了成像。此外，伯克利實驗室的計算建模揭示了催化劑在反應條件下的耐久性的重要見解。

該團隊的成就是能源部氫能源地球射擊計劃（Hydrogen Energy Earthshot initiative）向前邁出的一步，該計劃模仿了20 世紀60 年代美國太空計劃的”月球射擊”（Moon Shot）。該計劃的宏偉目標是在十年內將綠色氫氣的生產成本降至每公斤一美元。以這樣的成本生產綠色氫氣可以重塑國家經濟。其應用領域包括電網、製造、運輸以及住宅和商業供暖。

Liu指出：”更廣泛地說，我們的研究成果為用成本更低、資源更豐富的元素取代昂貴的貴金屬催化劑開闢了一條充滿希望的道路”。