磷化钴催化剂，低成本以水制氢，氢气燃料将取之不尽

其次是氢气的来源。由于氢气的密度较低，自然界产生的氢气会浮在大气上层，飘到外太空。科学界采用催化分解水制备氢气的方法，其中的一种解决方案是以贵金属为催化剂电解水。贵金属作为一种货币，其价格的影响因素较多，再加上国际贵金属市场比较动乱。因此，有科学家在思考有没有一种非贵金属、低成本的催化剂？

近日，斯坦福大学化学工程系和美国能源部的SLAC国家加速器实验室的 Thomas F. Jaramillo教授团队在国际顶级期刊Nature子刊《Nature Nanotechnology》发表名为“A non-precious metal hydrogen catalyst in a commercial polymer electrolyte membrane electrolyser”的研究文章。该团队制备一种廉价的磷化钴（CoP）催化剂，其催化水制氢气的性能可与贵金属—铂相媲美，可实现在商业环境中产生氢气并实现氢气燃料电池的商业化应用。

图片来源：斯坦福大学官网

研究预览：该团队合成了一种低成本、非贵金属的磷化钴（CoP）催化剂，实现了从1 cm2实验规模的尺寸到86 cm2的商业规模聚合物电解质膜（PEM）电解槽的转换。该团队只需要两步即可完成催化剂的制取：第一步在高比表面积碳载体上生成催化剂磷化钴（CoP）；第二步将它们集成到工业PEM电解槽制造过程中。在相同的工作条件（400 psi，50°C）下，比较CoP基PEM与铂基PEM的性能：实验结果表明CoP催化活性特别高且稳定性较好，能够在1.86 A cm-2的模板上连续制氢时间超过1700小时。该团队的研究成果表明，在相同的性能下，催化剂磷化钴（CoP）可节省大量材料成本，同时也说明了过去几十年来开发的非贵金属的氢气析出催化剂转化为商业应用的潜在途径。

该研究最重要的元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。

图片来源：美国海军电子研究所

实验中使用的商用电解槽。喷有催化剂粉末的电极堆叠在中央金属板内部，并用螺栓和垫圈压紧。水通过右侧的管子流入，氢气和氧气通过左侧的管子流出。

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促进它们发生反应。

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。这个结果表明它对于日常在高温、高压和高电流密度以及极端酸性条件下发生的反应中使用来说可能不够耐久。

因为他们的突出成就，斯坦福大学的Thomas F.Jaramillo教授及其工作人员接受了相关采访，下面是具体内容。

界面科学和催化中心主任托马斯·贾拉米洛（Thomas Jaramillo）说：“多年来，为开发用于PEM系统的贵金属催化剂的替代品，科学界已经进行了大量的工作。科学界已证明许多装置可在实验室环境中工作，但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。”

Jaramillo说：“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。它可用于燃料电池或存储由太阳能和风能等可变动力源产生的能量。但是今天产生的大部分氢气都是由化石燃料制成的，从而导致大气中的二氧化碳含量升高，出现了如环境污染、气候变化等一系列的全球性问题。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。”