锰与铱混合：绿色氢生产的量子飞跃

日本理化学研究所(RIKEN)可持续资源科学中心(CSRS)的研究人员报告了一种新方法，能够将制备水制氢所需的铱量减少95%，而不会改变氢气的产率。这一突破可能会彻底改变我们生产环保氢气的能力，并有助于推动碳中和的氢能经济。全球正在从基于化石燃料的能源经济转型，许多人押注于氢能成为主导的能源货币。然而，要在没有使用化石燃料的情况下生产“绿色”氢气，仍然还不可能，因为这需要铱，一种极其稀有的金属。这项研究成果发表在5月10日的《科学》杂志上，该研究由日本RIKEN可持续资源科学中心的中村隆平领导，他们报告了一种新方法，可以将反应所需的铱量减少95%，而不会改变氢气的产率。这一突破可能会彻底改变我们生产环保氢气的能力，并有助于推动碳中和的氢能经济。

目前，全球能源生产几乎达到了18太瓦的规模，这意味着全球平均每时每刻大约有18万亿瓦特的能量正在生产。要取代化石燃料，替代的绿色能源生产方法必须能够达到相同的能量生产速率。从水中提取氢气是一种真正可再生的能源。然而，在能够与基于化石燃料的能源生产相媲美的规模上提取氢气仍然不可能。从水中提取氢气的绿色方法是一种电化学反应，需要一个催化剂。对于这种反应来说，最好的催化剂是稀有金属，其中铱是最好的。但铱的稀缺性是一个大问题。“铱是如此稀有，以至于将全球氢气生产扩大到太瓦级别，据估计需要40年的铱储量。”共同第一作者孔爽表示。

RIKEN CSRS的生物功能催化剂研究小组正试图避开铱瓶颈，寻找其他高速长时间产氢的方式。从长远来看，他们希望开发基于常见地球金属的新催化剂，这将是非常可持续的。事实上，该团队最近成功地利用一种锰氧化物作为催化剂，将绿色氢气的产量稳定在相对较高的水平。然而，以这种方式实现工业级生产仍需数年时间。

“我们需要一种方法来弥合稀有金属和常见金属基电解质器之间的差距，这样我们就能在很多年内逐渐过渡到完全可持续的绿色氢气。”中村隆平表示。当前的研究通过将锰与铱结合起来，正好做到了这一点。研究人员发现，当他们将单个铱原子分散在一片锰氧化物上时，使它们不相互接触或聚集，使用质子交换膜(PEM)电解质器时，氢气的产量与仅使用铱时的产量相同，但铱的用量减少了95%。

使用新的催化剂，连续的氢气生产在82%的效率下持续了3000小时(约4个月)，并且没有降解。“锰氧化物与铱之间意想不到的相互作用是我们成功的关键，”共同作者李爱龙说。“这是因为这种相互作用所产生的铱处于稀有且高活性的+6氧化状态。”

中村隆平认为，使用新催化剂实现的氢气生产水平具有很高的即用价值。“我们期望我们的催化剂能够很容易地转移到真实世界的应用中，”他说，“这将立即增加当前质子交换膜电解质器的产能。”

该团队已经开始与工业合作伙伴合作，他们已经成功改进了最初的铱-锰催化剂。未来，RIKEN CSRS的研究人员计划继续研究铱和锰氧化物之间的具体化学相互作用，希望进一步减少所需的铱量。同时，他们将继续与工业合作伙伴合作，并计划在不久的将来在工业规模上部署和测试新的催化剂。