新能源科學(xué)領(lǐng)域中，氫燃料是公認(rèn)的清潔能源，但目前人類獲取純氫能的方式主要靠化石燃料，氫能取代化石燃料本身就是為了最大限度地減弱溫室效應(yīng)，但是制造氫能源又需要耗費(fèi)化石燃料，為氫能源的普及利用造成難解。因此，要想降低溫室氣體排放、開(kāi)發(fā)可再生清潔能源，離不開(kāi)分解水制氫這一方式。

     以水為原材料制造氫氣各種各樣的缺點(diǎn)，比如輔助材料成本太高、反應(yīng)能量要求太高、合成催化劑不能在現(xiàn)實(shí)條件上穩(wěn)定存在等。植物早就通過(guò)光合作用學(xué)會(huì)了怎樣分解水，然而人類不得不為復(fù)制這一過(guò)程拼命努力。

    目前，全世界每年生產(chǎn)5000萬(wàn)噸氫氣，其中95%來(lái)自化石燃料，通過(guò)甲烷水蒸氣重整制氫。在普通的分解水的化學(xué)反應(yīng)中，析氧反應(yīng)是出了名的速度慢，給制備氫氣拖后腿。

    而科學(xué)家最近首次發(fā)現(xiàn)酸性條件下依舊有效的催化劑，這種薄膜晶體催化劑可以大大提高反應(yīng)效率，并降低反應(yīng)活化能，令水解制氫廠指日可待。

    “雖然光合作用分解水的過(guò)程非常高效，但是人工的反應(yīng)根本比不上?！彼固垢４髮W(xué)化學(xué)工程學(xué)院界面科學(xué)和催化反應(yīng)研究中心(SUNCAT Center for Interface Science and Catalysis)的研究人員托馬斯·哈拉米約(Thomas Jaramillo)稱。

     托馬斯和同事長(zhǎng)期致力于開(kāi)發(fā)析氧反應(yīng)的催化劑，以求讓合成催化劑持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)，催化反應(yīng)速度更快，或者降低反應(yīng)所需的能量。這些改進(jìn)都能夠降低反應(yīng)成本，提高反應(yīng)效率，讓生產(chǎn)氫氣變得更為清潔高效。

   《科學(xué)》期刊在上周刊登了該團(tuán)隊(duì)的研究成果，他們研究的新催化劑對(duì)環(huán)境要求不高，但效果空前。

    “本次研究最重要的成果在于，我們發(fā)現(xiàn)的催化劑可以在酸里穩(wěn)定存在。而且催化劑的效果前所未見(jiàn)。”斯坦?？茖W(xué)家，上述《科學(xué)》文章聯(lián)合署名作者疋田育之(Hikita Yasuyuki)如是評(píng)價(jià)這次研究。

     對(duì)于析氧反應(yīng)的催化劑來(lái)說(shuō)，一個(gè)很重要的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)是過(guò)電位，即推動(dòng)反應(yīng)開(kāi)始所需要的電壓。此前的記錄是320毫伏，而這種新催化劑把反應(yīng)所需的過(guò)電位降到了270毫伏到290毫伏之間。

     疋田稱，這一新記錄可以大大提高反應(yīng)效率，大幅降低大規(guī)模生產(chǎn)氫氣所需的能耗。有了這種新催化劑，制氫廠指日可待。

    這一前景光明的催化劑是一種薄膜晶體，由一層二氧化銥(iridium oxide)和一層Sr2IrO4(strontium iridium oxide)組成。因?yàn)楸∧ぞw又平又薄，使研究員更容易比較催化反應(yīng)的效果。二氧化銥是目前人類發(fā)現(xiàn)的唯一一種可以在酸里生效的催化劑。

     研究團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，這種催化劑的效果越來(lái)越好。在對(duì)催化劑進(jìn)行測(cè)量之后，研究人員發(fā)現(xiàn)催化劑的表面發(fā)生了變化，但目前還沒(méi)能解釋催化的具體機(jī)理?？茖W(xué)家也承認(rèn)：“我們還不知道微觀層面發(fā)生了什么。我們只知道有一部分鍶離子離開(kāi)催化劑，進(jìn)入了溶液?！?/p>

    研究團(tuán)隊(duì)正在進(jìn)行進(jìn)一步的研究，希望能夠降低催化劑的生產(chǎn)成本，提高催化效果，還要探索催化反應(yīng)背后究竟為什么效果如此之好。銥的價(jià)格非常高，因此他們?cè)噲D用最少的銥達(dá)到最好的效果。不過(guò)，這種催化劑離實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)還有很大的距離，降低催化劑成本是研究的重中之重。

     “在開(kāi)發(fā)催化劑的路上，我們只邁開(kāi)了一小步，還有廣闊的進(jìn)步空間?！蓖旭R斯如是說(shuō)，“有朝一日，我們可能開(kāi)發(fā)出效果比現(xiàn)在好百萬(wàn)倍的催化劑。

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