日本一个研究小组在制氢方面取得了突破，在不影响效率的情况下，将对铱（Iridium）的需求减少了95%，为可持续的大规模氢能解决方案铺平了道路。

随着世界正在从以化石燃料为基础的能源经济转型，许多人押注氢将成为主导的能源货币。但是，在不使用化石燃料的情况下生产“绿色”氢，目前还不可能达到我们所需的规模，因为它需要铱（Iridium）这种极其稀有的金属。

在5月9日发表在《科学》杂志上的一项研究中，由日本理研可持续资源科学中心（CSRS）的中村龙平（Ryuhei Nakamura）领导的研究人员报告了一种新方法，该方法可以将反应所需的铱量减少95%，而不会改变氢气的产生速度。这一突破可能会彻底改变我们生产生态友好型氢气的能力，并帮助引领碳中性氢经济。

制氢挑战

世界上70%的面积被水覆盖，氢是一种真正的可再生能源。然而，从水中提取氢气的规模尚不可能与基于化石燃料的能源生产相媲美。目前全球能源产量约为18太瓦，这意味着在任何给定时刻，全球平均约有18万亿瓦的电力在生产。对于替代的绿色能源生产方法来取代化石燃料，它们必须能够达到相同的能源生产速度。

从水中提取氢的绿色方法是需要催化剂的电化学反应。这种反应最好的催化剂 —— 也就是产氢率最高、产氢最稳定的催化剂 —— 是稀有金属，其中铱（Iridium）是最好的。但铱的稀缺是个大问题。“铱是如此罕见，以至于将全球氢气生产规模扩大到太瓦规模估计需要40年的铱，”共同第一作者孔爽（音译）说。

催化剂开发创新

RIKEN CSRS的生物功能催化剂研究小组正试图绕过铱瓶颈，寻找其他长时间高速率生产氢的方法。从长远来看，他们希望开发出基于普通地球金属的新型催化剂，这将是高度可持续的。事实上，该团队最近成功地利用一种氧化锰作为催化剂，将绿色氢的生产稳定在一个相对较高的水平。然而，以这种方式实现工业水平的生产仍需数年时间。

“我们需要一种方法来弥合稀有金属和普通金属电解槽之间的差距，这样我们就可以在多年内逐步过渡到完全可持续的绿色氢，”中村龙平说。目前的研究正是通过将锰和铱结合起来来做到这一点。研究人员发现，当他们将单个铱原子分散在一块氧化锰上，使它们彼此不接触或聚集在一起时，质子交换膜（PEM）电解槽中的氢产量与单独使用铱时保持相同的速度，但铱的使用量减少了95%。

潜力及未来发展方向

使用这种新型催化剂，可以以82%的效率连续生产氢气超过3000小时（约4个月）而不会降解。“氧化锰和铱之间意想不到的相互作用是我们成功的关键，”合著者李爱龙（音译）说。“这是因为，这种相互作用产生的铱处于罕见且高活性的+6氧化态。”

中村龙平认为，用这种新催化剂实现的氢气生产水平具有很高的潜力，可以立即使用。“我们希望我们的催化剂能够很容易地转移到实际应用中，”他说，“这将立即增加当前PEM电解槽的容量。”

该团队已经开始与工业界的合作伙伴合作，他们已经能够改进最初的铱锰催化剂。展望未来，理研CSRS的研究人员计划继续研究铱和氧化锰之间的特定化学相互作用，希望进一步减少必要的铱量。与此同时，他们将继续与工业伙伴合作，并计划在不久的将来在工业规模上部署和测试这种新型催化剂。

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