更清洁、更廉价的制氢有助于为不排放有害化学物质的氢燃料汽车铺平道路。（图片由Shutterstock/Literator提供。）
氢燃料汽车或成为迈向更加清洁地球的重要一步。氢除了水蒸气外，不会散发任何化学物质，有助于减少有害的二氧化碳和空气污染水平。尽管氢是地球上最丰富的元素之一，但目前从非化石资源中提取它的成本很高。
氢通常是通过一种被称为天然气甲烷蒸汽转换的过程中提取，但通过电化学方法分离水更加清洁、更可持续。该过程使用催化剂，可以加快化学反应的速度，而其本身不会发生任何永久性的化学变化。然而，绿色技术成本一直是市场上的一个障碍。
目前，俄勒冈州立大学（OSU）带领的研究团队展示了，与目前商业上可用的催化剂相比，氢可以以更低的成本且更高的效率清洁地生产。这些新的发现论文发表在《Science Advances》和《JACS Au》上，文章阐述了是如何设计能够大大提高清洁制氢过程效率的催化剂。
该研究团队通过先进光子源（APS）和美国能源部(DOE)的阿贡国家实验室的科学部的资源，检测和确认他们的新发现。
根据OSU化学工程教授Zhenzing Feng研究中发现，在促进反应过程中，催化剂经常会发生结构改变。有时改变是可逆的，有时是不可逆的，不可逆的结构重组被认为降低了催化剂影响化学反应的能力。
Zhenzing Feng教授、OSU博士生Maoyu Wang与合作者共同研究了反应中催化剂的结构，然后在原子尺度上操作其表面结构和组成，以实现高效的制氢催化过程。新催化剂基于不规则氢氧化铱，这种催化剂的效率比采用的原始结构高出150倍，比常见的商业催化剂氧化铱好近三个数量级（相当于1000倍）。
Feng说：“我们发现至少有两组材料要经历不可逆转的改变，结果证明，这两组材料是更好的制氢催化剂。这可以帮助我们以每公斤2美元的价格制氢，最终降至每公斤1美元。”
美国能源部（DOE）发起了“Energy Earthshots”倡议，加速实现更丰富、价格更合适和更可靠的清洁能源解决方案的突破，设定了一个在十年内将清洁氢气的成本降低80%，价格在每公斤1美元的目标（“111”）。2021年11月签署的基础设施法案授权了一项耗资80亿美元的计划，以支持至少4个区域的清洁氢气枢纽的发展，建立氢气生产商、储存商、运输者以及运输基础设施网络。
Feng和他的研究团队通过先进光子源使用几种X射线技术来认证他们的发现。这项工作是在光束线9-BM和4-ID-C上完成的，研究团队能够观察电化学过程的发生，从而实时获得催化剂改变的信息。
阿贡物理专家兼《Science Advances》论文合著者John Freeland解释：“作为良好催化剂的材料通常是不稳定的。当材料被激活时，很难判断这种材料是否能成为好的催化剂，是否能得到预期的结果，或者是否在释放氢气的过程中被消耗。如果被消耗了，就不存在剩下的催化剂了。”
这就是先进光子源的作用。科学家们可以通过超亮X射线来获得极小尺度上的化学与结构信息，不仅可以看到材料发生反应时的内部情况，还可以观察到材料表面的状况，观察是否被侵蚀或转化。
阿贡物理学家兼《Science Advances》论文合著者George Sterbinsky表示：“X射线吸收光谱学使我们能够观察到原子结构，并且能看到如何改变的。X射线吸收光谱学为我们提供化学和结构信息，以便于我们了解催化过程。”
全面了解是非常重要的，因为催化剂中常用的材料（例如，铱）通常是非常昂贵的。Freeland说，先进光子源多年来一直用于催化剂，可以为研究团队提供经验，确保他们的实验成功。
他说：“做好这件事并非易事。或许会在许多方面做错，我们可以帮助研究人员获取他们想要的数据。”
先进光子源正在进行大规模升级，将X射线的亮度提高500倍，Freeland指出一旦升级后的设施上线，催化剂研究将会变得更好。更亮的X射线将使研究人员能够将这些实验扩大到更小的范围，使用微观催化剂样品，并从中获得更好的结构和化学信息。
Feng的研究团队专注于清洁制氢的水电解技术，该技术通过可再生能源的电能分离水来制造清洁氢气。然而，Feng说，水分解的效率很低，主要是由于该过程的一个关键部分的高过电位，电化学反应在实际电位和理论电位之间的差异。
Feng说：“催化剂对于通过降低过电位来促进水分解反应至关重要，因此降低了制氢的成本。我们在《JACS Au》第一个发表的研究论文为我们奠定了基础，正如我们在《Science Advances》的文章中展示出的一样，我们现在可以更好地操纵表面上的原子来设计具有所需结构和组成的催化剂。”
这些研究论文的共同作者包括来自得克萨斯大学（University of Texas）、北京大学（Peking University）、美国太平洋西北国家实验室（Pacific Northwest National Laboratory）、美国西北大学（Northwestern University）、华南理工大学（South China University of Technology）、剑桥大学（the University of Cambridge）、加利福尼亚大学（the University of California）、伯克利大学（Berkeley）和新加坡南洋理工大学（Singapore’s Nanyang Technological University）的科学家们。
中国化学与物理电源行业协会 杨柳翻译
2022.4.15