作為新能源的代表之一，氫氣因來源廣泛、產物無汙染等受到人們的廣泛關注。但是氫能源的商業化應用道路上出現了許多的攔路虎。 首先是氫氣的運輸問題。因為氫氣比較容易爆炸和擴散，對存儲設備的要求比較高，一般採用氣態、液化等技術進行運輸。
其次是氫氣的來源。由於氫氣的密度較低，自然界產生的氫氣會浮在大氣上層，飄到外太空。科學界採用催化分解水製備氫氣的方法，其中的一種解決方案是以貴金屬為催化劑電解水。貴金屬作為一種貨幣，其價格的影響因素較多，再加上國際貴金屬市場比較動亂。因此，有科學家在思考有沒有一種非貴金屬、低成本的催化劑？
近日，斯坦福大學化學工程系和美國能源部的SLAC國家加速器實驗室的 Thomas F. Jaramillo教授團隊在國際頂級期刊Nature子刊《Nature Nanotechnology》發表名為“A non-precious metal hydrogen catalyst in a commercial polymer electrolyte membrane electrolyser”的研究文章。該團隊製備一種廉價的磷化鈷（CoP）催化劑，其催化水制氫氣的性能可與貴金屬—鉑相媲美，可實現在商業環境中產生氫氣並實現氫氣燃料電池的商業化應用。
研究預覽：該團隊合成了一種低成本、非貴金屬的磷化鈷（CoP）催化劑，實現了從1 cm2實驗規模的尺寸到86 cm2的商業規模聚合物電解質膜（PEM）電解槽的轉換。該團隊只需要兩步即可完成催化劑的製取：第一步在高比表面積碳載體上生成催化劑磷化鈷（CoP）；第二步將它們集成到工業PEM電解槽製造過程中。在相同的工作條件（400 psi，50°C）下，比較CoP基PEM與鉑基PEM的性能：實驗結果表明CoP催化活性特別高且穩定性較好，能夠在1.86 A cm-2的模板上連續制氫時間超過1700小時。該團隊的研究成果表明，在相同的性能下，催化劑磷化鈷（CoP）可節省大量材料成本，同時也說明了過去幾十年來開發的非貴金屬的氫氣析出催化劑轉化為商業應用的潛在途徑。
該研究最重要的元素之一是擴大磷化鈷催化劑的產量，同時保持其非常均勻-該過程涉及在實驗室工作臺上合成原材料，用研缽和研杵研磨，在爐中烘烤以及最後將細的黑色粉末變成墨水，然後將其噴在多孔碳紙上。將所得的大幅面電極裝入電解池以進行制氫測試。
實驗中使用的商用電解槽。噴有催化劑粉末的電極堆疊在中央金屬板內部，並用螺栓和墊圈壓緊。水通過右側的管子流入，氫氣和氧氣通過左側的管子流出。
電解的工作原理與反向電池非常相似：電解不是發電，而是利用電流將水分解為氫和氧。產生氫氣和氧氣的反應是使用不同的貴金屬催化劑在不同的電極上發生的。在這種情況下，Nel Hydrogen團隊將氫氣生成側的鉑催化劑替換為由沉積在碳上的磷化鈷納米顆粒組成的催化劑，形成了精細的黑色粉末，該粉末由SLAC和斯坦福大學的研究人員生產。像其他催化劑一樣，它將其他化學物質聚集在一起並促進它們發生反應。
磷化鈷催化劑在整個測試過程中（超過1,700小時）的運行情況都非常好。這個結果表明它對於日常在高溫、高壓和高電流密度以及極端酸性條件下發生的反應中使用來說可能不夠耐久。
因為他們的突出成就，斯坦福大學的Thomas F.Jaramillo教授及其工作人員接受了相關採訪，下面是具體內容。
界面科學和催化中心主任托馬斯·賈拉米洛（Thomas Jaramillo）說：“多年來，為開發用於PEM系統的貴金屬催化劑的替代品，科學界已經進行了大量的工作。科學界已證明許多裝置可在實驗室環境中工作，但這是第一個在商用電解槽中展示高性能的裝置。該設備是由PEM電解研究基地和位於康涅狄格州的工廠為Nel Hydrogen生產的，Nel Hydrogen是世界上最古老、最大的電解設備製造商。”
Jaramillo說：“氫氣是製造燃料和肥料的重要工業化學品；它也是一種清潔的、高能量含量的分子。它可用於燃料電池或存儲由太陽能和風能等可變動力源產生的能量。但是今天產生的大部分氫氣都是由化石燃料製成的，從而導致大氣中的二氧化碳含量升高，出現瞭如環境汙染、氣候變化等一系列的全球性問題。我們需要一種經濟有效的方式來利用清潔能源生產二氧化碳。”
圖片來源：斯坦福大學、 SLAC國家加速器實驗室
Jaramillo研究組的研究生McKenzie Hubert說：“我們的研究組已經研究了一段時間了。我們從基礎實驗室規模的實驗階段開始，通過在工業操作條件下對其進行測試，在工業操作條件下，您需要用催化劑覆蓋更大的表面積，並且催化劑必須在更具挑戰性的條件下起作用。”
內爾研究與開發副總裁凱瑟琳·艾爾斯（Katherine Ayers）說：“磷化鈷催化劑的性能需要進一步提高，並且其合成規模必須擴大。但是我對這些材料的穩定性感到驚訝。儘管它們產生氫氣的效率低於鉑金，但它是恆定不變的。在這種環境下，很多東西都會降解。”
艾爾斯說：“雖然鉑催化劑僅佔用PEM製造氫氣總成本的8％左右，但事實是貴金屬市場如此動盪，價格在上下波動，這可能會阻礙該技術的發展。隨著PEM電解其他方面的改進以滿足燃料電池和其他應用中對氫氣不斷增長的需求，降低和穩定該成本將變得越來越重要。”
文章鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41565-019-0550-7
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