Nature Chemistry：「黃金搭檔」有效降低水解制氫催化成本

最新 11-09

未來哪種能源有望替代現在日趨枯竭又帶來諸多環境和政治問題的石油資源？或許用水分解獲得氫氣將會成為未來可再生能源的一個主流。氫氣是盡乎無污染的能源，而水則是地球上最豐富的資源之一，並且氫氣燃燒之後還是會變成水，這簡直是最完美的能源。如果可以大規模地使用氫氣，代替現有的石油燃料，無疑對日趨惡化的環境問題是個不錯的解決方案，而豐富的水資源至少可以使大部分國家都可以通過海洋共享水氫資源，中東或許可以消停下來，不再有石油戰爭。

Co-POM / CP電極的電化學行為

（來源：Nat. Chem.）

不過，使用水分解得到氫氣始終有許多重要的問題亟待解決。比如，最好的水分解催化劑是由最稀有、最昂貴的金屬製成，這使得其大規模應用本身就是一場奢望。而豐富、廉價的金屬催化劑，卻不能在酸性條件下分解水，這就成為一個關鍵問題。但是，向含有大量廉價金屬元素的多金屬酸鹽中添加一種碳糊，就可以創造出一種新型的催化劑。它不僅能夠在苛刻的酸性條件下進行水分解反應的催化，而且還可以做到效果和昂貴的貴金屬催化劑一樣好。

催化劑/ CP電極在酸性介質中的比較電化學行為

（來源：Nat. Chem.）

目前，研究人員正在努力開發能將水分解成氧氣和氫氣的催化劑。最快、最穩定和最節能的水分解催化劑會含有氧化銥。可是由於銥是地球上最稀缺的元素之一，對於發展氫氣清潔能源恐怕永遠都不會有什麼大的貢獻。也有用鈷、鎳、錳等地球富含的元素製造的水分解催化劑。但是其中產氫最容易和最快的是最活潑的鈷基和鎳基催化劑，它們在酸性條件下反應會被溶解，而且這種酸性會隨著水分解反應自然產生並不斷加強。

Co-POM / CP電極的線性掃描伏安法數據與相應的銥和鈷氧化物混合物的線性掃描伏安數據比較

（來源：Nat. Chem.）

西班牙加泰羅尼亞化學研究所J. R.Galán-Mascarós領導的一個研究小組將含鈷的多金屬氧酸鹽（cobalt-containingpolyoxometalates，Co-POM）用於水分解的酸穩定催化劑。這種陰離子催化劑含有與無機磷鎢酸鹽配體結合的氧化鈷塊。研究人員將Co-POM沉澱為鋇鹽，然後將固體材料與碳糊混合形成電極。接下來，研究人員研究了Co-POM電極在硫酸中的電化學性能。Co-POM電極比有由氧化銥或者是與碳糊混合的氧化鈷製成的電極更加地節能。Co-POM電極在1mA/Cm2的電流密度下進行水分解反應需要消耗189mV的電勢，而含氧化銥的電極的消耗為379mV，含氧化鈷的電極為221mV。氧化鈷催化劑通常會在這些反應條件下溶解，但是碳糊（導電黑碳和潤滑脂粘合劑的混合物）可以使其穩定。Galán-Mascarós說，使用疏水性粘合劑來穩定催化劑的想法也可以延展到其他水分解催化劑上。但是他指出，他們還需要找到另外一種粘合劑來提高電極的機械穩定性，因為碳糊還是會部分溶解進溶液里。