氢气是一种清洁、可再生的化石燃料替代品，但目前用于生产氢气的工业生产方法将碳释放到大气中并污染环境。

一种新型催化剂，锚定在泡沫镍上的碳化合物镍铁钼磷化物(NiFeMo-P-C)，显著降低了从水中产生氢气和氧气所需的电量，提供了一种清洁高效的生产氢气的方法。

一组领先的化学工程师合成了一种经济高效且易于制造的催化剂，旨在降低电解水所需的能量。电解水是利用电将水分子分解为氢和氧。

氢气和氧气分别通过析氢反应(HER)和析氧反应(OER)从水中分离出来。过渡金属合金或含有至少一种金属镍-铁-钼(NiFeMo)的混合物被用作水电解的催化剂，因为过渡金属镍和铁原子的电子轨道不完全填充，使其成为化学反应中理想的电子供体和受体。在催化剂中加入磷化物以提高在碱性或碱性电解质溶液中的耐腐蚀性。

该研究小组于7月7日在《纳米研究能源》杂志上发表了他们的研究结果。

“氢被认为是化石燃料最理想的替代品，因为它具有高能量密度、高热转换效率和零碳排放。然而，工业上常用的制氢方法，包括天然气和甲醇的蒸汽重整以及煤炭的气化，都消耗化石燃料，并对环境造成严重污染，”该研究的主管、中国长沙中南大学副教授唐晶晶说。

“水电解以水为原料，通过将电能转化为化学能来生产高纯度的氢气，这是一种清洁而有前途的制氢技术，”唐说。

以前存在用于降低HER和OER所需能量的催化剂，但使用的是铂和氧化铱，这两种有价值的元素既昂贵又供不应求。创造一种经济实惠的催化剂，降低两种反应的活化能，降低总体制造成本，提高清洁氢气生产的商业可行性。

设计双功能催化剂的一个挑战是OER的特殊要求。“因为OER是一个动力学缓慢的四电子转移反应，[它]通常在碱性溶液中表现更好。研究在碱性电解质中具有优异双功能性能的非贵金属金属基电催化剂至关重要。”该团队创造了合金和金属磷化物，以在这些碱性条件下保持催化剂的完整性。

为了测试生成的NiFeMo-P-C催化剂的组成和价态，研究小组对该化合物进行了x射线光电子能谱(XPS)测量，以确认Ni, Fe, Mo, P, C和o的存在。镍的高分辨率光谱还确定了2p3/2和2p1/2自旋轨道，这是指催化剂镍原子中的电子状态。

总的来说，新开发的NiFeMo-P-C电催化剂需要非常低的过电位，即分解水所需的能量，HER (87 mV，达到10 mA·cm-2的电流密度)和OER (196 mV，达到10 mA·cm-2的电流密度)。在10ma·cm-2条件下，电解水所需的电池电压或两个电极之间的电压差也仅为1.50 V。

该团队乐观地认为，他们的发现将使清洁氢生产成为现实。“与大多数双功能催化剂不同，NiFeMo-P-C无需复杂的制备步骤和精细的纳米结构就能实现优异的催化性能。此外，卓越的耐用性在50小时内没有任何(电压)衰减……使NiFeMo-P-C成为大规模制氢的理想[非贵金属催化剂]候选物，”唐说。

其他撰稿人包括来自中国长沙中南大学冶金与环境学院的周向阳、杨婷婷、李婷、子有举、张思静、杨磊、刘应康和杨娟。

作者：清华大学出版社

链接：https://phys.org/news/2023-09-catalyst-decreases-energy-required-hydrogen.html

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