該電解技術基于質子交換膜(PEM)，具備利用可再生能源大規(guī)模生產氫氣的潛力。由于用于提升化學反應效率的鉑和銥等金屬催化劑成本太高，在一定程度上限制了氫氣的大規(guī)模生產。

領導該研究小組的Thomas Jaramillo表示：“氫氣是一種非常重要的工業(yè)化學物質，可以用來生產燃料和肥料等。氫氣也是一種清潔、高能量的分子，可用于燃料電池或者用于存儲由太陽能和風能等多變能源產生的能量。而且可以用于汽車行業(yè)，有利于減少溫室氣體的排放。不過，現在大部分氫氣都由化石燃料制造出來，增加了大氣中的二氧化碳水平，因而我們需要找到一種具成本效益的方法，用清潔能源產氫。”

從昂貴的金屬到便宜而豐富的材料

多年來，人們一直致力于為PEM水電解制氫系統(tǒng)研發(fā)貴金屬催化劑的替代品。而且很多替代品被證明可以在實驗室環(huán)境中工作。不過，據說此次研究人員研發(fā)的催化劑是首次在商業(yè)電解槽中展示出高性能。該設備由位于康涅狄格州的PEM電解研究基地和工廠生產，為全球最古老、最大的電解設備制造商Nel Hydrogen所用。

電解的工作原理與電池的反向作用很像，即不是產生電，而是利用電流將水分解成氫氣和氧氣。采用不同的貴金屬催化劑，可以在不同電解質上發(fā)生產生氫氣和氧氣的反應。在此原理下，SLAC和斯坦福大學科學家制造了一種由沉積在碳上的磷化鈷納米顆粒組成的催化劑，該催化劑是一種黑色粉末。然后Nel Hydrogen小組利用該催化劑替代了產氫那側電解質上的鉑催化劑。與其他催化劑一樣，此種催化劑可以將其他化學物質聚集在一起，并促進它們發(fā)生反應。

該磷化鈷催化劑在整個測試過程中(超過1700小時)都表現得非常好，表明其可以用于日常化學反應，即能夠在溫度、壓力和電流密度升高的極酸性條件下，長時間地工作。

該項研究的一個最重要目標就是實現該磷化鈷催化劑的量產，同時保證其品質如一，即從實驗合成的起始材料、用研缽和研杵磨制、讓其進入烘烤爐烤制、最后將精細的黑色粉末變成一滴墨水，噴到多孔碳紙上，這整個過程都需要保證其質量穩(wěn)定。最終獲得的大尺寸電極會被裝入電解槽中進行制氫試驗。

雖然鉑催化劑只占PEM水電解制氫總成本的8%，但是貴金屬市場的波動非常劇烈，可能會阻礙該技術的發(fā)展。而隨著PEM水電解制氫技術不斷改進，以滿足燃料電池和其他應用對氫氣日益增長的需求，降低和穩(wěn)定其成本將變得越來越重要。(文中圖片均來自SLAC國家加速器實驗室)