能源部的SLAC國家加速器實驗室和史丹福大學的研究人員首次表明，廉價的催化劑可以在商用設備的惡劣環境中分解水並持續數小時產生氫氣。

基於聚合物電解質膜（PEM）的電解技術具有利用可再生能源大規模生產氫的潛力，但由於貴金屬催化劑（如鉑和銥，需要提高化學反應的效率。

研究人員日前在《自然納米技術》（Nature Nanotechnology）中報告說，這項研究為實現更便宜的解決方案指明了方向。

負責研究小組的SUNCAT接口科學與催化中心主任Thomas Jaramillo說：「除其他外，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，可用於燃料電池或存儲由太陽能和風等可變動力源產生的能量。但是今天產生的大部分氫都是由化石燃料製成的，大氣中的二氧化碳。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。」

從昂貴的金屬到廉價、豐富的材料

多年來，為開發用於PEM系統的貴金屬催化劑的替代品，已經進行了廣泛的工作。已證明許多裝置可在實驗室環境中工作，但Jaramillo說，據他所知，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乃狄克州的工廠為Nel Hydrogen生產的，Nel Hydrogen是世界上最古老，最大的電解設備製造商。

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和史丹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鼓勵它們發生反應。

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-表明它對於在高溫，高壓和高電流密度以及極端酸性條件下可能發生的反應中的日常使用而言可能不夠耐久Jaramillo研究小組的研究生McKenzie Hubert表示，經過很長的時間，他領導了SUNCAT研究工程師Laurie King的實驗，他後來加入了曼徹斯特城市大學。

休伯特說：「我們的小組已經研究了這種催化劑和相關材料一段時間了，我們從基本的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來進行測試，在該條件下您需要覆蓋更大的表面具有催化劑的區域，它必須在更具挑戰性的條件下發揮作用。」

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的狀態。該過程涉及在實驗室工作檯上合成原材料，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。

大規模生產氫氣

電解器的開發是由國防部資助的，該部對用於潛艇的電解產生氧氣的方面很感興趣，但賈拉米洛說，這項工作也符合美國能源部的「 H2 @ Scale」計劃的目標，該計劃將美國能源部的實驗室和工業界聯合起來。為了促進可負擔的氫氣生產，運輸，存儲和使用在許多領域的應用，基礎催化劑研究由美國能源部科學辦公室資助。

Nel研究與開發副總裁兼該論文的合著者Katherine Ayers說：「與Tom的合作使我們有機會了解這些催化劑能否長期穩定，並讓我們有機會了解如何與鉑金相比，它們的性能更好。

她說：「磷化鈷催化劑的性能需要提高一些，並且其合成需要擴大規模。」 「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，雖然鉑催化劑僅占用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。