在向可持续能源的重大飞跃中，来自美国能源部（DOE）布鲁克黑文国家实验室和哥伦比亚大学的研究人员开发了一种突破性的催化剂，有望提高水制氢气生产。这一发展可能会对清洁能源的未来产生深远影响，使大规模氢气生产更有效率，在经济上更可行。

氢气通常被称为未来的燃料，在减少温室气体排放方面具有巨大的潜力，特别是在使用可再生能源生产时。释放这种潜力的关键在于有效地将水分子（H2O）分解为氢（H2）和氧（O2）。尽管这个过程显然很简单，但化学基础是复杂的，需要先进的催化剂来促进反应。

氧气进化反应（ Oxygen Evolution Reaction, OER）的挑战

水电解的核心是氧进化反应（OER），它发生在质子交换膜（PEM）电解槽的阳极处。这种反应涉及水分子的氧化，以产生氧气、质子和电子。质子通过PEM迁移到阴极，在那里它们与电子结合形成氢气。然而，OER是众所周知的能源密集型，需要高超额电位（high overpotentials）才能以有效速度进行。

为了使氢气生产大规模可行，至关重要的是开发能够有效驱动OER的催化剂，而且在PEM电解的恶劣酸性条件下保持稳定。氧化铱（IrO2）等传统催化剂有效但昂贵，限制了它们的广泛使用。这促使研究人员在不影响性能的情况下寻找降低材料成本的替代方案。

创新方法：氮化钛上的铱

研究团队在化学工程师陈静光（Jingguang Chen）和理论化学家刘平（Ping Liu）的领导下，对这个问题采取了一种新颖的方法。他们的研究最近发表在《美国化学学会杂志》上，介绍了一种由氧化铱单层在氮化钛（IrOx/TiN）上组成的催化剂。这种设计最大限度地减少了铱的使用，同时最大限度地提高了催化剂的稳定性和活性。

研究人员使用密度泛函理论（DFT）计算来模拟氮化钛上铱的不同配置在酸性OER条件下的表现。计算预测，两到三层铱将提供性能和稳定性的最佳组合。然后通过一系列实验验证了这些理论预测。

从理论到实践：实验验证

为了验证他们的预测，该团队首先使用物理气相沉积创建了催化剂薄膜。这些薄膜允许精确控制各层，与理论模型中使用的表面非常相似。结果很有希望，表明IrOx/TiN催化剂在活性和稳定性方面都优于传统的IrO2催化剂。

在这些结果的基础上，研究人员将他们的实验扩展到商业上可行的粉末催化剂。IrOx/TiN粉末表现出比商用IrO2更低的过电位和更高的质量活性，在10mA/平方厘米的电流密度下保持其连续运行超过250小时的性能。实际上，这意味着与目前的商业选择相比，新催化剂可以更高效地生产氢气，铱更少。

现实世界测试和未来前景

任何新催化剂的真正考验是其在现实应用中的性能。该团队在质子交换膜水电解槽（proton exchange membrane water electrolyzer, PEMWE）中测试了他们的IrOx/TiN催化剂，发现与商用IrO2相比，它需要更低的电池电压就能达到1A /平方厘米的电流密度。这种较低的电压意味着更高的效率和更低的氢气生产能源成本。

然而，扩大生产仍然是一个重大挑战。正如陈研究员所指出的，“我们每批只生产几毫克的催化剂。如果你想制造百万吨的绿色氢气，你需要公斤或数吨的催化剂。我们还不能以那么大的规模来做这件事。”克服这一障碍对于广泛采用新的催化剂至关重要。

对清洁能源的影响

这项研究是在寻求高效、大规模氢气生产方面向前迈出的一大步。通过减少所需的铱数量，IrOx/TiN催化剂解决了水电解的最大技术障碍之一。此外，将理论建模与实验验证相结合的综合方法为催化剂开发设定了新标准。

这一进步的意义怎么强调都不为过。氢气是一种多功能能源载体，可用于各种应用，从车辆中的燃料电池到储能系统。高效且负担得起的氢气生产是向低碳经济过渡和实现全球气候目标的关键。通往氢动力未来的道路仍在铺平中，但每向前迈出一步，我们就越来越接近实现这种清洁、可再生能源的全部潜力。