文章来源：advancedsciencenews | 翻译：世界铂金投资协会
研究人员通过将钯与有机分子结合，开发出了高效催化剂，显著降低了氢燃料的生产成本。
为了降低氢燃料的成本，研究人员将贵金属与有机分子结合，制备出用于生产氢气的高效催化剂。
氢燃料被誉为化石燃料的清洁、可持续替代品。氢气是一种零排放燃料，若通过可再生能源制取，还能实现碳中和。遗憾的是，其生产成本在经济上并不划算，这在很大程度上是因为需要用到稀有且昂贵的金属铂。
生产氢气时，会用到一种名为析氢反应的过程。在这个过程中，电流会在阳极将水分解成氢离子、氧气和自由电子。自由电子通过外部电路到达阴极，与氢离子结合生成氢气。
然而，要使这个反应顺利进行，阴极必须有效地结合氢，但又不能结合得过于紧密，导致生成的氢气无法释放。为创造理想的反应条件，阴极通常会涂覆铂。这种稀有金属与氢原子的结合强度恰到好处，这种平衡使其成为一种高效催化剂，降低了反应所需的能量。
不幸的是，铂非常稀有，若要扩大氢气生产规模以满足现代需求，所需的铂用量将极其昂贵。因此，如果世界想要转向使用氢燃料，寻找铂的替代品至关重要。
东京理科大学的Hiroaki Maeda、Hiroshi Nishihara，以及来自日本各地的合作者认为，他们找到了一种解决方案—钯。
钯和铂一样，也是一种昂贵的稀有金属。那么，钯如何能降低氢气的生产成本呢？答案是将其与另一种材料结合，并减少钯的用量。在这项研究中，另一种材料是六氨基苯。
六氨基苯是一种由碳、氢、氮组成的有机分子。它与钯结合后会形成一种配位纳米片，这是一种二维的薄材料。这种纳米片结构赋予了它一些有用的特性。
前田浩明表示：“在（配位纳米片）结构中，钯离子的含量大约是相同体积的铂和钯金属的十分之一。” 尽管金属用量减少了，但这种材料仍具备反应所需的导电性，能够传输电子。正如前田浩明所解释的：“结构中的孔隙为质子和氢的传质提供了顺畅的通道。”
为了测试这种纳米片在析氢反应中的表现是否与铂一样好，研究人员将钯—六氨基苯纳米片直接合成在电极表面。结果显示，该反应的效率几乎与铂相当，使用这种新材料制取氢气所需的额外能量极少。研究人员在新闻稿中写道，这使得配位纳米片 “成为目前开发的最有效的（析氢反应）催化剂之一，有望成为铂的低成本替代品”。
该团队研究了多种金属与六氨基苯的组合，但使用钯的效果最佳。他们接下来的工作是探索大规模高效合成新型电极的方法。
一个潜在的障碍是，制备用纳米片修饰的电极需要惰性环境，因为在有氧环境中无法获得所需的电极。
耐久性也是一个有待解决的问题。在初步实验中，电极表现良好，在高酸性条件下放置 12 小时后仍保持完好。然而，其数月乃至数年的稳定性仍有待评估。
前田浩明在新闻稿中总结道：“我们的研究让氢气生产在成本和可持续性方面又前进了一步，这是迈向清洁能源未来的关键一步。” （来源：advancedsciencenews）
参考文献：Hiroaki Maeda 等人，《双（二亚氨基）钯纳米片的合成及其作为高效析氢电催化剂的研究》，《欧洲化学杂志》（2024 年）。DOI: 10.1002/chem.202403082.
