更廉价的制氢路径正在成形
氢长期以来一直被视为一种有前景的能源载体，适用于那些难以直接电气化的工业和应用场景。但这项技术最核心的经济约束之一，是如何以可观的规模和清洁方式低成本制氢。由可再生电力驱动的水电解可以实现这一点，但这类系统往往依赖昂贵的铂族金属来获得出色的性能和耐久性。
圣路易斯华盛顿大学由 Gang Wu 领导的研究团队表示，他们展示了一种可能的替代方案：一种用于阴离子交换膜水电解槽的无铂催化剂，由两种磷化物构成。根据所提供的源文本，这种催化剂在行业标准条件下运行了1,000小时，并且在与镍铁阳极配对时，性能优于一种最先进的对比阴极以及一个铂族金属基准。
这项发表在《美国化学会志》上的研究指向了清洁制氢领域的一个关键目标：在不牺牲性能的前提下，减少对稀缺且昂贵催化材料的依赖。如果这一权衡能够进一步改善，可再生氢生产的经济性或将更具吸引力，适用于储能、工业原料以及未来交通等用途。
为什么铂族金属会成为瓶颈
电解槽利用电力将水分解为氢和氧。理论上，这一过程很直接。但在实践中，要实现高效率和长运行寿命，就需要能够加速反应、同时承受严苛电化学条件的催化材料。
这也是铂族金属历来占据优势的原因。它们效率很高，但成本也很高。其价格会抬高电解槽系统的资本成本，并限制这项技术在经济上可以扩展到何种程度。对于清洁氢倡导者来说，替代或尽量减少这类材料，是降低部署门槛最直接的方式之一。
华盛顿大学团队聚焦于阴离子交换膜水电解槽，简称 AEMWEs。这种架构具有吸引力，因为与其他一些电解槽设计相比，它提供了一条使用更低成本材料实现高性能的路径。但成功仍然取决于能否找到兼具活性和耐久性的催化剂。
研究人员构建了什么
团队制备了源文本所述的一种由两种磷化物组成的异质结构催化剂。研究人员表示，通过将这两种材料组合成复合体，他们提高了氢析出过程中的催化活性。Wu 用更现实的方式概括了其背后的动机：来自太阳、风或水的可再生电力，可以用于将氢从水中分离出来，把能量储存在一种之后可在多种应用中使用的燃料里。
这种储能属性至关重要。氢不仅是一种燃料，也是一种跨越时间和使用场景转移可再生能源的方式。多余的可再生电力可以被转化为氢，而氢随后又可在合适场景中服务于化工制造、工业供热，甚至潜在的发电和交通运输。
源文本称，当这种磷化物催化剂与镍铁阳极集成后，所得阴极的性能超过了由不同材料制成的最先进阴极以及铂族金属基准。同样重要的是，它据称在行业标准条件下持续运行了1,000小时。
为什么1,000小时的结果很重要
在电解研究中，性能上的亮眼结果并不少见，但真正决定其是否具有商业意义的往往是耐久性。一个只能短暂提供优异输出、却很快退化的催化剂，无法解决成本问题。长时间运行是支持实际部署的必要条件。
因此，源文本中提到的1,000小时这一数字很重要，因为它表明该材料在旨在反映工业相关性的条件下具备耐久性，而不只是实验室优化的产物。这本身并不能证明它已经具备大规模部署条件，但确实增强了这样一种论点：无贵金属体系可能正在缩小与现有材料之间的差距。
这一结果在战略层面也很重要。如果非贵金属催化剂能够同时实现高活性和运行稳定性，制造商在材料采购和系统设计上就会拥有更大的灵活性，也更能抵御与铂族金属相关的大宗商品价格波动。
这对清洁能源系统意味着什么
最大的影响在于成本。通过电解生产的氢，长期以来一直难以与化石来源氢竞争，尤其是在电价和资本成本较高的情况下。更低成本的催化剂无法解决全部方程，但它们可以帮助降低电解槽部署的前期费用。
这项工作也契合更广泛的储能难题。可再生能源的增长，加剧了对能够长时储电、并支持那些难以直接电气化领域的技术的需求。氢是候选方案之一，因为它既可以作为储存的能源，也可以作为工业投入品。
这并不意味着每一种氢的使用场景都会在一夜之间变得经济或合理。基础设施、运输、转换损失和市场设计仍然很重要。但能够解决这项技术持续成本中心之一的材料进展，值得关注，因为它们提升了整个类别的基础经济性。
下一步是转化
和许多材料学突破一样，剩下的问题是这一结果能否从已发表研究平稳扩展到商业硬件。制造一致性、超过1,000小时的寿命、系统集成以及现实世界中的成本降低，都需要进一步证明。
尽管如此，这项研究仍为一种观点增加了分量：清洁氢领域不必将对铂族金属的依赖视为永久约束。源文本支持的核心主张已经具有意义：一种基于磷化物、无铂的 AEM 水电解槽催化剂实现了高效制氢，并在行业标准条件下运行了1,000小时。
如果这一性能能够被复现并进一步延长，那么这项进展的意义将超出实验室。它将表明，可再生氢最棘手的工程和成本挑战之一正在变得更容易应对，使大规模、低成本电解更接近现实。
本文基于 Phys.org 的报道。阅读原文。
Originally published on phys.org