用于制氢的非贵金属催化剂

氢气是一种很有前途的未来燃料——特别是如果由水生产的话——但必要的贵金属催化剂稀有、昂贵且储量不足。但是现在，在最近发表在AdvancedMaterials上的一项研究中，筑波大学的研究人员和合作伙伴开发了可以克服贵金属局限性的催化剂。

氢是一种高能分子，可以成为可再生的未来燃料，因为燃烧它只会产生水。不幸的是，目前大多数氢气来自化石燃料燃烧。从水中生产的氢气无疑将更具环境可持续性。然而，进行这项工作所需的金属催化剂(例如铂和铱)稀缺、昂贵，并且在提高能源效率的恶劣和酸性条件下表现不如所需。哪种金属可以替代酸性介质?YoshikazuIto教授及其同事提出的解决方案令人惊讶：一次性使用多种非贵金属。

研究人员使用了高熵合金，这是由多种元素组成的混合物。虽然这些合金中的一些可用于产生大量氢气，但其他合金经历了称为氧化(即钝化)的过程，该过程赋予合金一定的耐腐蚀性能。然而，正如Ito教授指出的那样，“很明显，通过传统的自下而上的实验(即一次更改/添加一种金属)来确定哪些金属以何种比例使用是非常耗时的。我们的自上而下的方法不是不仅节省了时间，而且还为氢气生产机制提供了宝贵的化学见解。”

他们的方法包括首先均匀混合构成合金的九种元素，然后在酸性介质中钝化表面，最后施加电压以促进表面结构重排，从而优化催化剂的活性。实验和理论计算确定了有助于催化活性的金属(例如，铁、铬、镍、钴和锰)和有助于钝化的金属(例如，钛、锆、铌和钼)。在实际的水电解实验中证明了高熵合金的显着性能和耐腐蚀性。

研究人员的研究为替代极其稀有的贵金属提供了新的可能性和新的视角，尤其是全球年产量仅为7吨的铱。随着全球水电解器使用量的激增，对铱的需求预计将达到每千兆瓦700公斤。

“在0.5摩尔硫酸电解质的实验挑战条件下，有必要牺牲一些稳定性以最大限度地提高活性，反之亦然，”AimiAHTajuddin女士(第一作者，博士生)解释说。

“该催化剂在析氢和析氧反应中在每平方米10毫安时表现出仅数百毫伏的过电压。此外，其卓越的性能在电化学循环测试中保持稳定，相当于在由间歇性可再生能源，如太阳能。”

这项工作成功地为一种新型、无贵金属、经济可行的利用可再生能源从水中生产氢气的方法提供了概念验证。该方法每公斤催化剂成本仅为几百美元，适合大批量生产。研究人员应用高熵合金将允许生产氢气、电池和其他需要昂贵金属的产品。