隨著世界正在從以化石燃料為基礎的能源經濟轉型，許多人都寄望氫能成為主要的能源貨幣。但是，不使用化石燃料生產”綠色”氫氣還不可能達到我們需要的規模，因為這需要銥，一種極其稀有的金屬。

日本理化學研究所可持續資源科學中心（CSRS）的中村隆平（Ryuhei Nakamura）領導的研究人員在今天（5 月9 日）發表在《科學》雜誌上的一項研究中報告了一種新方法，此方法將反應所需的銥量減少了95%，而且不會改變氫的生產率。這項突破將徹底改變我們生產生態友善氫氣的能力，並有助於實現碳中和的氫經濟。

合成氧化銥的掃描電子顯微鏡影像（D）和分散在電沉積在耐腐蝕鉑塗層鈦網上的氧化錳上的銥（亮點）的掃描透射電子顯微鏡影像（E、F、G）。資料來源：理化學研究所

氫氣挑戰

世界上70% 的面積被水覆蓋，氫氣是真正的再生能源。然而，從水中提取氫氣的規模仍無法與化石燃料能源生產相媲美。目前，全球能源產量接近18 兆瓦，這意味著在任何特定時刻，全球平均生產約18 兆瓦特的電力。替代性綠色能源生產方式要取代化石燃料，就必須能夠達到相同的能源生產力。

從水中提取氫氣的綠色方法是一種需要催化劑的電化學反應。這種反應的最佳催化劑–產氫率最高、最穩定的催化劑–是稀有金屬，其中銥是最好的催化劑。但銥的稀缺是個大問題。共同第一作者孔爽說：”銥是如此稀有，以至於將全球氫氣生產規模擴大到太瓦級估計需要40年的銥。”

催化劑開發的創新

理化學研究所CSRS 的生物功能催化劑研究團隊正試圖繞過銥的瓶頸，尋找其他方法來長時間高速生產氫氣。從長遠來看，他們希望開發出基於普通土金屬的新型催化劑，這種催化劑將具有高度的可持續性。事實上，該團隊最近使用一種氧化錳作為催化劑，成功地將綠色氫氣生產穩定在相對較高的水平。不過，以這種方式實現工業水準的生產還需要數年時間。

中村隆平說：「我們需要一種方法來彌合稀有金屬電解槽與普通金屬電解槽之間的差距，這樣我們就能在多年內逐步過渡到完全可持續的綠色氫氣。」目前的研究正是透過將錳與銥結合來實現這一目標。研究人員發現，當他們把銥原子分散在一塊氧化錳上，使它們不會相互接觸或凝結在一起時，質子交換膜（PEM）電解槽中的氫氣產生速度與單獨使用銥時相同，但銥含量減少了95%。

潛力和未來方向

使用這種新型催化劑，可連續生產氫氣超過3000 小時（約4 個月），效率高達82%，且無降解。合著李愛龍說：”氧化錳和銥之間意想不到的相互作用是我們成功的關鍵。這是因為這種相互作用產生的銥處於罕見的高活性+6 氧化態」。

中村隆平認為，新催化劑所達到的製氫水準極有可能立即派上用場。他說：”我們希望我們的催化劑能夠輕鬆轉移到現實世界的應用中，這將立即提高目前PEM 電解器的容量。”

研究小組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。今後，理化學研究所CSRS 研究人員計劃繼續研究銥和氧化錳之間的特定化學作用，希望能進一步減少必要的銥含量。同時，他們將繼續與工業合作夥伴合作，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。

編譯來源：ScitechDaily