由Ryuhei nakamaru領導的日本理化學研究所可持續資源科學中心(CSRS)的一個研究小組發現了一種從水中生產氫氣的可持續和實用的新方法。跟目前的方法不同，這種新方法不需要昂貴或供應短缺的稀有金屬。
相反，用於燃料電池和農業肥料的氫氣現在可以用鈷和錳這兩種相當常見的金屬來生產。這項研究發表在《Nature Catalysis》上。
跟燃燒時產生二氧化碳的傳統化石燃料不同的是，氫氣是一種清潔燃料，只產生水作為副產品。如果可以利用可再生電力從水中提取氫氣，那麼能源網就可以變得清潔、可再生和可持續。此外，氫氣是生產氨氣所需的關鍵成分，而氨氣幾乎用於所有合成肥料。但目前，合成氨工廠不是從水中清潔地提取氫氣，而是使用化石燃料來生產他們所需要的氫氣。
那麼為什麼我們還在使用化石燃料？其中一個原因是，氫氣提取過程本身–電解–是昂貴的且尚不具有可持續性。
“這主要是由於缺乏良好的催化劑，”Nakamura說道，“除了能夠承受惡劣的酸性環境之外，催化劑必須非常活躍。如果不是這樣，生產一定數量的氫氣所需的反應電量就會飆升，隨之而來的是成本的增加。”
目前，用於水電解的最活躍的催化劑是鉑和銥這樣的稀有金屬，這就造成了一個兩難的局面，因為它們很昂貴，而且被認為是金屬中的“瀕危物種”。現在將整個地球轉為氫燃料將需要約800年的銥生產量，這個數量可能甚至不存在。另一方面，豐富的金屬如鐵和鎳則不夠活躍，往往在惡劣的酸性電解環境中立即溶解。
在尋找更好的催化劑的過程中，研究人員注意到了鈷和錳的混合氧化物。鈷氧化物對於所需的反應來說可以是活躍的，但在酸性環境中會很快被腐蝕。錳氧化物則更穩定，但活性還不夠高。通過結合它們，研究人員希望能利用它們的互補特性。另外，他們還必須考慮實驗室外實際應用所需的高電流密度。這項研究的論文共同第一作者Shuang Kong說道：“對於工業規模的氫氣生產，我們需要將我們研究的目標電流密度設定為是過去實驗中使用的電流密度的10到100倍左右。高電流導致了一些問題，如催化劑的物理分解。”
最終，該團隊通過試驗和錯誤克服了這些問題，另外他們還通過將錳插入Co3O4的尖晶石晶格以產生混合鈷錳氧化物Co2MnO4發現了一種活躍和穩定的催化劑。
測試表明，Co2MnO4的性能非常好。活化水平則接近於最先進的銥氧化物。此外，新的催化劑在每平方厘米200毫安培的電流密度下持續了兩個多月，這可能使它在實際使用中變得有效。跟其他非稀有金屬催化劑相比，它們通常只能在低得多的電流密度下持續幾天或幾周，新的電催化劑則可能是一個遊戲規則的改變者。
研究論文共同第一作者Ailong Li指出：“我們已經實現了數十年來科學家們都無法實現的目標。使用由豐富的金屬製成的高活性和穩定的催化劑來生產氫氣。從長遠來看，我們相信這是朝着創造一個可持續的氫氣經濟邁出的一大步。就像其他可再生技術如太陽能電池和風力發電，我們預計隨着更多的進展，綠色氫氣技術的成本在不久的將來會急劇下降。”
實驗室的下一步將是找到延長新催化劑的壽命並進一步提高其活性水平的方法。“總是有改進的餘地。我們繼續努力尋找一種非稀有金屬催化劑從而使其性能跟目前的銥和鉑催化劑相匹配，”Nakamaru說道。