“鐵”重組CP為綠色氫能注入新動力

總有一天，人們可以將水電解的氫和氧用作燃料，并成為供暖和照明的無限能源……

這是一段出現在一個多世紀前的科幻小說中的“未來燃料”，如今已經觸手可及，成為了我們生活中的現實。

制備高效穩定的催化劑用于電解水反應。揚州大學供圖

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

近日，揚州大學物理科學與技術學院教授許小勇團隊開創性地提出了一種通過二維過渡金屬碳化物介導重構，從而保持電解水制氫催化劑活性持久穩定的新方法。

在此基礎上，團隊成功研發了一種高性能的鎳鐵氫氧化物催化劑，實現了綠色氫能制作工藝的“廉價高效”，為實現環境和能源的可持續發展提供了一種潛在的解決方案，相關研究成果已在《美國國家科學院院刊》（PNAS）發表。 

“氫”風襲來：降本增效成關鍵

隨著社會的不斷進步和科技的飛速發展，人類所依賴的化石燃料正遭受過度消耗，這導致能源危機和環境污染問題日益凸顯。為此，發展清潔能源，提升能源含“綠”量，成為了當務之急。

氫能是一種清潔低碳、靈活高效的能源，對于促進全球經濟脫碳，特別是在工業和交通領域有著不可或缺的替代作用，被認為是21世紀最具發展潛力的一種二次清潔能源。

根據氫氣制取過程的碳排放強度，氫氣被分為“灰氫”“藍氫”和“綠氫”三類。許小勇告訴《中國科學報》：“目前，市面上超過98%的氫氣來源于化石燃料，即所謂的灰氫。灰氫雖然價格相對較低，每公斤的成本大約在9至14元之間，但其生產過程中往往伴隨著大量的二氧化碳排放，這與我們追求的‘雙碳’戰略目標背道而馳。”

與此同時，利用可再生能源進行電化學水分解制氫（即綠氫）雖然無需擔憂碳排放問題，但在當前工業化生產中仍面臨著能耗高、效率低的挑戰，嚴重限制了其規模化應用的前景。

許小勇進一步分析了造成這一困境的根源：水分子以其卓越的穩定性著稱，必須在充沛的電能輸入和高效催化劑的共同作用下，方能實現斷鍵，進而分離出氫分子。他指出，“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，不僅會增加電能消耗，還可能事倍功半。”

目前，市場上廣泛應用的催化劑主要是貴金屬（如鉑等），盡管它們表現出卓越的穩定性，但高昂的成本和相對較低的商業化程度限制了其廣泛應用。據數據顯示，電解水制取一公斤氫氣的成本大約在32~35元之間，這一數字顯著超過了通過化石能源制取氫氣的成本。

在此背景之下，綠色氫能經濟要想實現工業化、普及化及商業化，必須攻克催化劑“降本增效”這一重大挑戰。 

重組CP：廉價催化劑的重構

長期以來，許小勇團隊一直致力于電解水制氫“廉價高效”催化劑的研究。

團隊研究發現，鎳鐵氫氧化物這種催化劑在電解過程中展現出了卓越的“領跑”能力。其優勢之處在于，它不僅能夠顯著降低電解過程中的能量損耗，提高電解效率，還具備低成本和豐富的資源儲備等顯著優勢，這使得其成為了貴金屬催化劑的理想替代品。

“但是在持續電解水的過程中，這種催化劑會發生鐵元素的泄露，并且其活性會隨之下降。”許小勇指出，這也是制約其在電解水制氫中廣泛應用的“卡脖子”難題。

為了攻克這一難題，研究團隊獨具匠心性地設計了一種解決方案，即通過二維過渡金屬碳化物介導重構的方法，精確調控鐵位點在催化劑結構中的配位狀態，從而確保催化活性的持久穩定。

“在重構過程中，原本催化劑中的‘鐵—碳氮—鎳’配位，在電解水反應過程中，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、揚州大學物理科學與技術學院碩士研究生虞倩形象地比喻，“就好比是在一個舞會上，舞者換了新的舞伴后重組了‘cp’。”

“此外，將二維過渡金屬碳化物作為介導物也是保證重構試驗成功的關鍵因素。”團隊成員之一、揚州大學物理科學與技術學院博士研究生李成表示。

據悉，團隊在前期投入了大量時間和精力，對各種材料進行深入研究。他們驚喜地發現，二維過渡金屬碳化物的表面攜帶著電負性基團，它為錨定催化劑中的鐵位點提供了極為有利的條件。此外，該材料還具有出色的導電性和親水性，無疑成為了試驗材料的首選。

“在重構配位后，催化劑在電解水制氫過程中起到了加速反應速率的作用，同時還能為自身的鐵位點筑起一道堅實的防護屏障，抵御氧化的侵襲，從而提高整個電解水過程的效率和穩定性。”李成表示。 

持續探索：助“燃”新質生產力

“在實際的工業環境下，為了實現高效生產，水電解過程通常需要在大電流密度（>500毫安/平方厘米）的條件下進行。”許小勇強調，這一要求使得傳統操作方式無法滿足水電解制氫工業化發展的需求。

據悉，傳統的鎳鐵氫氧化物催化劑在進行電解水制氫時，隨著電流量的增加，其活性會逐漸降低。這一現象在高電流密度的條件下表現得尤為顯著。

不過，在團隊的最新試驗中，通過二維過渡金屬碳化物介導重構得到的鎳鐵基催化劑在電流密度大幅提升至1000毫安/平方厘米依然能展現出卓越的催化性能。

“據我們所知，目前在超過500 毫安/平方厘米的工業級電流密度下，關于鎳鐵氫氧化物催化劑的耐久性幾乎鮮有報道。”許小勇說，“這意味著，我們的研究成果為水電解制氫工業的大規模發展提供了依據和可能。”

作為我國戰略性新興產業和未來產業的重點發展方向，氫能新質生產力正在加速發展。“未來，團隊將對接產業需求，加大力度投入PEM電解槽等制氫裝備的自主研發，持續開展可再生能源制氫等關鍵技術攻關、技術提升，力爭為領跑‘零碳時代’貢獻更大力量。”許小勇表示。

相關論文信息：https://doi.org/10.1073/pnas.2319894121