總有一天，人們可以將水電解的氫和氧用作燃料，并使之成為供暖和照明的無限能源……

這一種出現(xiàn)在一個(gè)多世紀(jì)前的科幻小說中的“未來燃料”，如今已經(jīng)觸手可及，成為現(xiàn)實(shí)。

氫能源汽車、氫燃料電池……越來越多的氫能源高科技產(chǎn)品進(jìn)入了公眾視野。如何才能獲得這種高效又環(huán)保的能源，一直是眾多科研工作者努力探索的問題。

近日，揚(yáng)州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院教授許小勇團(tuán)隊(duì)開創(chuàng)性地提出了一種通過二維過渡金屬碳化物介導(dǎo)重構(gòu)，保持電解水制氫催化劑活性持久穩(wěn)定的新方法。

在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)了一種高性能的鎳鐵氫氧化物催化劑，實(shí)現(xiàn)了綠色氫能制造工藝的“廉價(jià)高效”，為實(shí)現(xiàn)環(huán)境和能源的可持續(xù)發(fā)展提供了一種潛在的解決方案。相關(guān)研究成果發(fā)表于美國(guó)《國(guó)家科學(xué)院院刊》。

“氫”風(fēng)襲來：降本增效成關(guān)鍵

隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步和科技的飛速發(fā)展，人類所依賴的化石燃料正被過度消耗，導(dǎo)致的能源危機(jī)和環(huán)境污染問題日益凸顯。發(fā)展清潔能源，提升能源含“綠”量，成為當(dāng)務(wù)之急。

氫能是一種清潔低碳、靈活高效的能源，對(duì)于促進(jìn)全球經(jīng)濟(jì)脫碳有著不可或缺的替代作用，被認(rèn)為是21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ囊环N二次清潔能源。

根據(jù)氫氣制取過程的碳排放強(qiáng)度，氫氣被分為“灰氫”“藍(lán)氫”和“綠氫”三類。許小勇告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》：“目前，市面上超過98%的氫氣來源于化石燃料，即所謂灰氫。灰氫雖然價(jià)格相對(duì)較低，每公斤的成本大約在9至14元之間，但其生產(chǎn)過程往往伴隨大量的二氧化碳排放，這與我們追求的‘雙碳’目標(biāo)背道而馳。”

與此同時(shí)，利用可再生能源進(jìn)行電化學(xué)水分解制氫(即綠氫)，雖然無須擔(dān)憂碳排放問題，但在當(dāng)前工業(yè)化生產(chǎn)中仍面臨著能耗高、效率低的挑戰(zhàn)，嚴(yán)重限制了其規(guī)模化應(yīng)用的前景。

許小勇進(jìn)一步分析了造成這一困局的根源：水分子以其卓越的穩(wěn)定性著稱，必須在充沛的電能輸入和高效催化劑的共同作用下，方能實(shí)現(xiàn)斷鍵，進(jìn)而分離出氫分子。“若我們僅僅著眼于提升電流密度，而忽視催化劑活性的改進(jìn)，不僅會(huì)增加電能消耗，還可能事倍功半。”他表示。

目前，市場(chǎng)上廣泛應(yīng)用的催化劑主要是貴金屬催化劑，盡管它們表現(xiàn)出卓越的穩(wěn)定性，但高昂的成本和相對(duì)較低的商業(yè)化程度限制了其廣泛應(yīng)用。數(shù)據(jù)顯示，電解水制取一公斤氫氣的成本大約在32~35元之間，大大超過了通過化石能源制取氫氣的成本。

在此背景之下，綠色氫能經(jīng)濟(jì)要想實(shí)現(xiàn)工業(yè)化、普及化及商業(yè)化，必須攻克催化劑“降本增效”這一重大難題。

重組“CP”：廉價(jià)催化劑的重構(gòu)

長(zhǎng)期以來，許小勇團(tuán)隊(duì)一直致力于電解水制氫“廉價(jià)高效”催化劑的研究。

團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)，鎳鐵氫氧化物催化劑在電解過程中展現(xiàn)出了卓越的“領(lǐng)跑”能力。其優(yōu)勢(shì)在于，不僅能夠顯著降低電解過程中的能量損耗，提高電解效率，還具備成本低和資源儲(chǔ)備豐富等顯著優(yōu)勢(shì)。這使得其成為貴金屬催化劑的理想替代品。

“但在持續(xù)電解水的過程中，這種催化劑會(huì)發(fā)生鐵元素泄漏，并且活性隨之下降。”許小勇指出，這也是制約其在電解水制氫中廣泛應(yīng)用的難題。

為攻克這一難題，研究團(tuán)隊(duì)獨(dú)具匠心地設(shè)計(jì)了一種解決方案，即通過二維過渡金屬碳化物介導(dǎo)重構(gòu)的方法，精確調(diào)控鐵位點(diǎn)在催化劑結(jié)構(gòu)中的配位狀態(tài)，從而確保催化活性的持久穩(wěn)定。

“在重構(gòu)過程中，原本催化劑中的‘鐵-碳氮-鎳’配位發(fā)生了改變，在電解水反應(yīng)過程中，鐵元素流失到電解液中，二維過渡金屬碳化物將流失到電解液中的部分鐵元素重新綁定，形成新的‘鐵-氧’配位。”論文第一作者、揚(yáng)州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院碩士研究生虞倩形象地比喻，“好比在一個(gè)舞會(huì)上，舞者換了新的舞伴后重組了‘CP(配對(duì))’。”

“此外，將二維過渡金屬碳化物作為介導(dǎo)物也是保證重構(gòu)試驗(yàn)成功的關(guān)鍵因素。”團(tuán)隊(duì)成員之一、揚(yáng)州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院博士生李成表示。

據(jù)悉，團(tuán)隊(duì)在前期投入了大量時(shí)間和精力，對(duì)各種材料進(jìn)行深入研究。他們驚喜地發(fā)現(xiàn)，二維過渡金屬碳化物的表面攜帶電負(fù)性基團(tuán)，它為錨定催化劑中的鐵位點(diǎn)提供了極為有利的條件。此外，該材料還具有出色的導(dǎo)電性和親水性，無疑成為了試驗(yàn)材料的首選。

“在重構(gòu)配位后，催化劑在電解水制氫過程中起到了加快反應(yīng)速率的作用，同時(shí)還能為自身的鐵位點(diǎn)筑起一道堅(jiān)實(shí)的防護(hù)屏障，抵御氧化的侵襲，從而提高整個(gè)電解水過程的效率和穩(wěn)定性。”李成表示。

持續(xù)探索：對(duì)接產(chǎn)業(yè)需求

“在實(shí)際的工業(yè)環(huán)境下，為了實(shí)現(xiàn)高效生產(chǎn)，水電解過程通常需要在大電流密度(>500毫安/平方厘米)的條件下進(jìn)行。”許小勇強(qiáng)調(diào)，這一要求使得傳統(tǒng)操作方式無法滿足水電解制氫工業(yè)化發(fā)展的需求。

據(jù)悉，傳統(tǒng)的鎳鐵氫氧化物催化劑在進(jìn)行電解水制氫時(shí)，隨著電流量的增加，其活性會(huì)逐漸降低。這一現(xiàn)象在大電流密度的條件下表現(xiàn)得尤為顯著。

不過，在團(tuán)隊(duì)的最新試驗(yàn)中，通過二維過渡金屬碳化物介導(dǎo)重構(gòu)得到的鎳鐵基催化劑在電流密度大幅提升至1000毫安/平方厘米時(shí)，依然能展現(xiàn)出卓越的催化性能。

“據(jù)我們所知，目前在超過500 毫安/平方厘米的工業(yè)級(jí)電流密度下，關(guān)于鎳鐵氫氧化物催化劑的耐久性幾乎鮮有報(bào)道。”許小勇說，“這意味著，我們的研究成果為水電解制氫工業(yè)的大規(guī)模發(fā)展提供了依據(jù)和可能。”

“未來，團(tuán)隊(duì)將對(duì)接產(chǎn)業(yè)需求，加大力度投入制氫裝備的自主研發(fā)，持續(xù)開展可再生能源制氫等關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，實(shí)現(xiàn)技術(shù)升級(jí)，力爭(zhēng)為領(lǐng)跑‘零碳時(shí)代’貢獻(xiàn)更大力量。”許小勇表示。

相關(guān)論文信息：

https://doi.org/10.1073/pnas.2319894121