文章来源：technology.org | 翻译：世界铂金投资协会
在全球脱碳竞赛中，氢气是最具潜力的清洁燃料之一。然而，尽管氢气具有为工业和交通运输提供动力而无需排放碳的潜力，但在水电解槽中可持续地生产氢气，却一直受到一项关键成分的高成本和稀缺性所限制：铱。
现在，莱斯大学的一个研究团队开发出一种新型催化剂，能大幅减少质子交换膜（PEM）水电解槽中所需的铱含量，这是一项从水中生产绿氢的关键技术。他们的创新是一种铱稳定氧化钌催化剂，其铱用量仅为传统系统的六分之一，却能在连续运行 1,500 多个小时下保持工业级的性能。这项研究最近发表在《自然奈米技术》（Nature Nanotechnology）上。
莱斯大学化学与生物分子工程副教授Haotian Wang表示：“这是让绿氢更加普及和规模化的重要一步。透过将铱的使用量减少 80% 以上，我们正在解决氢经济中最大的经济和供应链瓶颈之一。”
目前的质子交换膜电解槽严重依赖铱，因为它是少数能够承受高效分解水所需之严苛酸性条件的金属之一。但铱是地球上最稀有的元素之一——目前价格约为每克 160 美元——且全球产量极其有限。
Haotian Wang说：“如果不减少铱的消耗量，仅电解槽的预期需求就可能超过全球年供应量的 75%。如果我们认真看待扩大氢气产量这件事，这显然是不可持续的。”
为了应对这项挑战，莱S大学团队与 De Nora Tech 的业界合作伙伴一同，结合了密度泛函理论和蒙地卡罗模拟，设计出一种新的原子结构，将铱原子策略性地嵌入氧化钌（RuO2）晶格中。这种排列方式从表面下方提供了稳定性，这一意外的发现使研究人员能够用更少的铱实现持久的性能。
莱斯大学化学与生物分子工程的 William Marsh Rice Trustee 副教授 Thomas Senftle 说：“我们的仿真显示，次表层中的铱原子扮演着关键角色。它们有助于保护上方的钌原子在极端电化学条件下不致溶解，实质上是从内部加固了晶格。”
实验上，团队合成了一种名为 Ru6IrOₓ的催化剂，其钌与铱的原子比例为 6 比1。该材料展现了卓越的长期稳定性，在每平方公分 2 安培的电流密度（一项工业基准）下持续运作超过 1,500 小时，降解极微。
Senftle 说：“关键在于实现铱在整个氧化钌结构中的均匀分布。这种均匀性促进了稳定，因为铱有助于稳定氧化物晶格中相邻的钌原子。”
该催化剂的性能也在 De Nora Tech 营运的 25 平方公分质子交换膜电解槽中，通过了工业测试标准的验证。在实际条件下，莱斯大学设计的催化剂在高电流和高温下保持稳定运行，尽管只使用一小部分的铱，其活性却与纯铱催化剂相当。
Haotian Wang说：“我们的研究结果表明，我们不需要富含铱的催化剂来实现耐久性。这为大规模生产具成本效益的高性能质子交换膜电解槽打开了大门。”
其经济意义是惊人的。团队的一项经济分析显示，用 Ru6IrOₓ催化剂取代传统的氧化铱，可将阳极催化剂成本降低 80% 以上，同时也降低了对铱价格波动的敏感性。
除了经济之外，这项研究为催化剂设计提供了一个新范式：从内部稳定材料，而不是从表面保护它们。
Senftle 说：“这项工作突显了理论与实验如何携手并进。透过将原子级模拟与严谨的实验测试相结合，我们已经能够精确地查明一小部分铱如何能稳定整个氧化物晶格。”
这一突破有助于加速全球质子交换膜电解槽的部署，这种电解槽因其高效率和紧凑设计而备受青睐，但却受到成本的阻碍。随着各国和企业投入数十亿美元用于氢能中心和脱碳项目，像莱斯大学这种低铱催化剂的创新将可望发挥关键作用。
Haotian Wang说：“这关乎消除进入氢经济的障碍。如果我们能让电解槽更便宜、更耐用，并减少对稀缺材料的依赖，氢气就能成为一种真正的全球性可再生燃料。”（来源:technology.org)
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