能源部的SLAC国家加速器实验室和斯坦福大学的研究人员首次表明，廉价的催化剂可以在商业设备的恶劣环境下分解水并持续数小时产生氢气。

基于聚合物电解质膜(PEM)的电解技术具有利用可再生能源大规模制氢的潜力，但由于贵金属催化剂(如铂和铱，需要提高化学反应的效率。

研究人员今天在《自然纳米技术》(Nature Nanotechnology)中报告说，这项研究为寻求更便宜的解决方案指明了道路。

负责研究小组的SUNCAT接口科学与催化中心主任Thomas Jaramillo说：“除其他外，氢气是制造燃料和肥料的重要工业化学品。” “它也是一种清洁的，高能量含量的分子，可用于燃料电池或存储由太阳能和风等可变动力源产生的能量。但是今天产生的大部分氢都是由化石燃料制成的，大气中的二氧化碳。我们需要一种经济有效的方式来利用清洁能源生产二氧化碳。”

从昂贵的金属到廉价，丰富的材料

多年来，为开发用于PEM系统的贵金属催化剂的替代品，已经进行了广泛的工作。已证明许多装置可在实验室环境中工作，但Jaramillo说，据他所知，这是第一个在商用电解槽中展示高性能的装置。该设备是由PEM电解研究基地和位于康涅狄格州的工厂为Nel Hydrogen生产的，Nel Hydrogen是世界上最古老，最大的电解设备制造商。

电解器不发电，而是利用电流将水分解为氢和氧。图片提供：SLAC国家加速器实验室的Greg Stewart

电解的工作原理与反向电池非常相似：电解不是发电，而是利用电流将水分解为氢和氧。产生氢气和氧气的反应是使用不同的贵金属催化剂在不同的电极上发生的。在这种情况下，Nel Hydrogen团队将氢气生成侧的铂催化剂替换为由沉积在碳上的磷化钴钴纳米颗粒组成的催化剂，形成了精细的黑色粉末，该粉末由SLAC和斯坦福大学的研究人员生产。像其他催化剂一样，它将其他化学物质聚集在一起并鼓励它们发生反应。

磷化钴催化剂在整个测试过程中(超过1,700小时)的运行情况都非常好-表明它对于在高温，高压和高电流密度以及极端酸性条件下可能发生的反应中的日常使用而言可能不够耐久 Jaramillo研究小组的研究生McKenzie Hubert表示，经过很长的时间，他领导了SUNCAT研究工程师Laurie King的实验，他后来加入了曼彻斯特城市大学。

休伯特说：“我们的小组已经研究了这种催化剂和相关材料一段时间了，我们从基本的实验室规模的实验阶段开始，通过在工业操作条件下对其进行测试来进行测试，在该条件下您需要覆盖更大的表面具有催化剂的区域，它必须在更具挑战性的条件下发挥作用。”

该研究最重要的要素之一是扩大磷化钴催化剂的产量，同时保持其非常均匀。该过程涉及在实验室工作台上合成原材料，用研钵和研杵研磨，在炉子中烘烤以及最后将细的黑色粉末变成墨水，然后将其喷在多孔碳纸上。将所得的大幅面电极装入电解池以进行制氢测试。

氢气是制造燃料和肥料的重要工业化学品，也是一种清洁的，高能量含量的分子，可用于燃料电池或存储由可变电源(例如太阳能和风能)产生的能量。图片来源：Greg Stewart / SLAC国家加速器实验室

大规模生产氢气

虽然电解槽的发展是由国防部，这是有意电解潜艇使用的氧气产生侧面资助，哈拉米略说，工作还与美国能源部的H2 @规模的倡议，这带来能源部实验室和行业共同的目标相一致为了促进可负担的氢气生产，运输，存储和使用在许多领域的应用，基础催化剂研究由美国能源部科学办公室资助。

Nel研究与开发副总裁兼该论文的合著者Katherine Ayers说：“与Tom的合作使我们有机会了解这些催化剂能否长期稳定，并让我们有机会了解如何与铂金相比，它们的性能更好。

她说：“磷化钴催化剂的性能需要提高一些，并且其合成需要扩大规模。” “但是我对这些材料的稳定性感到惊讶。尽管它们产生氢气的效率低于铂金，但它是恒定不变的。在这种环境下，很多东西都会降解。”

艾尔斯说，虽然铂催化剂仅占用PEM制造氢气总成本的8%左右，但事实是，贵金属市场如此动荡，价格在上下波动，这可能会阻碍该技术的发展。随着PEM电解其他方面的改进以满足燃料电池和其他应用中对氢气不断增长的需求，降低和稳定该成本将变得越来越重要。