更清潔、更廉價的制氫有助于為不排放有害化學物質的氫燃料汽車鋪平道路。（圖片由Shutterstock/Literator提供。）
氫燃料汽車或成為邁向更加清潔地球的重要一步。氫除了水蒸氣外，不會散發任何化學物質，有助于減少有害的二氧化碳和空氣污染水平。盡管氫是地球上最豐富的元素之一，但目前從非化石資源中提取它的成本很高。
氫通常是通過一種被稱為天然氣甲烷蒸汽轉換的過程中提取，但通過電化學方法分離水更加清潔、更可持續。該過程使用催化劑，可以加快化學反應的速度，而其本身不會發生任何永久性的化學變化。然而，綠色技術成本一直是市場上的一個障礙。
目前，俄勒岡州立大學（OSU）帶領的研究團隊展示了，與目前商業上可用的催化劑相比，氫可以以更低的成本且更高的效率清潔地生產。這些新的發現論文發表在《Science Advances》和《JACS Au》上，文章闡述了是如何設計能夠大大提高清潔制氫過程效率的催化劑。
該研究團隊通過先進光子源（APS）和美國能源部(DOE)的阿貢國家實驗室的科學部的資源，檢測和確認他們的新發現。
根據OSU化學工程教授Zhenzing Feng研究中發現，在促進反應過程中，催化劑經常會發生結構改變。有時改變是可逆的，有時是不可逆的，不可逆的結構重組被認為降低了催化劑影響化學反應的能力。
Zhenzing Feng教授、OSU博士生Maoyu Wang與合作者共同研究了反應中催化劑的結構，然后在原子尺度上操作其表面結構和組成，以實現高效的制氫催化過程。新催化劑基于不規則氫氧化銥，這種催化劑的效率比采用的原始結構高出150倍，比常見的商業催化劑氧化銥好近三個數量級（相當于1000倍）。
Feng說：“我們發現至少有兩組材料要經歷不可逆轉的改變，結果證明，這兩組材料是更好的制氫催化劑。這可以幫助我們以每公斤2美元的價格制氫，最終降至每公斤1美元。”
美國能源部（DOE）發起了“Energy Earthshots”倡議，加速實現更豐富、價格更合適和更可靠的清潔能源解決方案的突破，設定了一個在十年內將清潔氫氣的成本降低80%，價格在每公斤1美元的目標（“111”）。2021年11月簽署的基礎設施法案授權了一項耗資80億美元的計劃，以支持至少4個區域的清潔氫氣樞紐的發展，建立氫氣生產商、儲存商、運輸者以及運輸基礎設施網絡。
Feng和他的研究團隊通過先進光子源使用幾種X射線技術來認證他們的發現。這項工作是在光束線9-BM和4-ID-C上完成的，研究團隊能夠觀察電化學過程的發生，從而實時獲得催化劑改變的信息。
阿貢物理專家兼《Science Advances》論文合著者John Freeland解釋：“作為良好催化劑的材料通常是不穩定的。當材料被激活時，很難判斷這種材料是否能成為好的催化劑，是否能得到預期的結果，或者是否在釋放氫氣的過程中被消耗。如果被消耗了，就不存在剩下的催化劑了。”
這就是先進光子源的作用?？茖W家們可以通過超亮X射線來獲得極小尺度上的化學與結構信息，不僅可以看到材料發生反應時的內部情況，還可以觀察到材料表面的狀況，觀察是否被侵蝕或轉化。
阿貢物理學家兼《Science Advances》論文合著者George Sterbinsky表示：“X射線吸收光譜學使我們能夠觀察到原子結構，并且能看到如何改變的。X射線吸收光譜學為我們提供化學和結構信息，以便于我們了解催化過程。”
全面了解是非常重要的，因為催化劑中常用的材料（例如，銥）通常是非常昂貴的。Freeland說，先進光子源多年來一直用于催化劑，可以為研究團隊提供經驗，確保他們的實驗成功。
他說：“做好這件事并非易事?；蛟S會在許多方面做錯，我們可以幫助研究人員獲取他們想要的數據。”
先進光子源正在進行大規模升級，將X射線的亮度提高500倍，Freeland指出一旦升級后的設施上線，催化劑研究將會變得更好。更亮的X射線將使研究人員能夠將這些實驗擴大到更小的范圍，使用微觀催化劑樣品，并從中獲得更好的結構和化學信息。
Feng的研究團隊專注于清潔制氫的水電解技術，該技術通過可再生能源的電能分離水來制造清潔氫氣。然而，Feng說，水分解的效率很低，主要是由于該過程的一個關鍵部分的高過電位，電化學反應在實際電位和理論電位之間的差異。
Feng說：“催化劑對于通過降低過電位來促進水分解反應至關重要，因此降低了制氫的成本。我們在《JACS Au》第一個發表的研究論文為我們奠定了基礎，正如我們在《Science Advances》的文章中展示出的一樣，我們現在可以更好地操縱表面上的原子來設計具有所需結構和組成的催化劑。”
這些研究論文的共同作者包括來自得克薩斯大學（University of Texas）、北京大學（Peking University）、美國太平洋西北國家實驗室（Pacific Northwest National Laboratory）、美國西北大學（Northwestern University）、華南理工大學（South China University of Technology）、劍橋大學（the University of Cambridge）、加利福尼亞大學（the University of California）、伯克利大學（Berkeley）和新加坡南洋理工大學（Singapore’s Nanyang Technological University）的科學家們。
中國化學與物理電源行業協會 楊柳翻譯
2022.4.15