神奇的廉价制氢催化剂

加拿大卡尔加里大学的两位研究者Curtis Berlinguette与Simon Trudel最近取得了一个里程碑式的突破，他们发明了一种新型“电催化剂”（electrocatalysts），能够非常高效且廉价地将电能转化成化学能，也就是我们熟悉的水电解过程。

　　电催化剂，是用于在电解器中催化水电解反应的一种特殊催化剂。这一反应生成的氢气可以存储并随时再次转化为电能，整个过程中唯一的副产品就是水，还可以被再利用，电解器在工作中几乎没有任何碳排放，堪称为最绿色的能源系统。研究人员表示，只需一个迷你冰箱大小的电解器和几升水，就能为一户人家制造可再生能源，不再让太阳能面板和风力发电机发出的电能白白浪费。虽然电池也可以用来存储多余电能，但是相比氢来说，电池存储的效率相当低，而且非常不环保。氢在能源经济中所扮演的角色就是太阳能和风能的存储物。

　　商业化前景

　　由于这种催化剂的发展前景广阔，一经发布便得到了许多企业的关注。开发催化剂只是第一步，将这种催化剂商业化应用还需要研究者们更加努力。其实早在2009年，麻省理工学院的Daniel Nocera教授也曾经开发出一种成本很低的非晶态氧化钴催化剂，并创建了一家名为Sun Catalytix的公司进行商业推广，但最终并没有成功推出一种有效的产品，该公司现在已经放弃催化剂产品的研发，转型为一家流体电池公司。目前，Berlinguette和Trudel已经将相关技术注册了专利，并建立了名为“FireWater Fuel”的新公司，试图将他们的研究成果商业化，他们希望能在2014年让新型催化剂开始大规模商用，并在2015年让普通用户用上家用电解器。

　　制造氢能源

　　——让“氢能源”不再昂贵

　　一直以来，阻碍燃料电池大规模应用的因素之一就是昂贵的制氢催化剂成本，传统的催化剂常使用高成本的稀有金属或贵金属作为活性组分（比如铂），而现有的电催化剂大多数都是用钌或铱之类的有毒稀有金属制造出的晶状金属氧化物，价格同样高昂。为了寻找一种廉价又高效的电催化剂，全世界的科学家们已经努力了很多年。

　　研究者Simon Trudel表示，“我们的这项突破还为催化剂材料的制作开辟了一个崭新的领域，有着非常广阔的空间等待我们去探索”。传统的催化剂一般都会选用那些“纯净”的、有着晶状结构的材料，非结构化的材料往往都会被当成废渣遗弃。因此，过去三十年来催化剂领域鲜少出现重大的进步，但Berlinguette与Trudel却创造出了一种全新的催化剂制造方法。他们将那些便宜、矿藏丰富又无毒的金属（比如铁、钴和镍）氧化物结合起来，形成一种非常松散无章的非晶态材料。相比高度美观而对称的晶状体，这种非晶态材料“满身是坑”，但这些“坑”却恰恰让这种结构体拥有相当高的催化能力。“实验证明，我们研发的第一代催化剂就拥有了与现在市面上那些研发了30年之久的催化剂相同的功效”，Trudel说道，但其价格却是原来的1/1000。

　　研究人员还表示，他们可以将元素周期表上的任意金属加入到催化剂成分中。这种制造方法为催化剂制造打开了一个全新的领域。目前，研究人员正在测试各种不同的催化剂配方，以求更加深入地理解这种非晶态材料，并找到最佳的催化剂，他们也在尝试利用纳米科技提高催化剂的效率。同时，他们还在制造一种“光电催化剂”（photo-electrocatalyst），这种催化剂可以借助阳光来让电解器产生更多的氢。

　　存储氢能源——仍存在一些瓶颈

　　存储方式在氢能利用技术中所占据的地位不亚于其制造方式。其难点在于如何做到安全性高、体积小、重量轻、密度大。近年来，各大研究机构和企业也都在进行高压储氢方面的研发。浙江大学，通用汽车公司、丰田和宝马等汽车制造商都已经制造出了高质量的碳纤维高压储氢瓶，工作在70MPa~80Mpa气压下，每立方米约能存储36千克氢气。但物理储氢仍然存在成本高、难度大、容量不足、安全性低等弊端。未来，利用吸氢合金和金属氢化物储存氢能是比较理想的方式。用海绵状的吸氢金属将氢储存起来，使用时吸氢金属将氢放出，这种方法既减轻重量，便于携带，又可储存较多的氢。利用某些金属氢化物（例如钒化氢）可以随温度变化的特点也可以用来储存大量氢气，当温度由25℃升高到200℃时，钒化氢放出氢的压力就由1.9个大气压急剧升高到870个大气压。不过，每一种储氢材料都有其优缺点，且大部分储氢材料的性能都有加合性的特点，而单一的储氢材料的性质也较多地为人们所认识。因此认为，应该研制出集多种单一储氢材料储氢优点于一体的复合储氢材料是未来储氢材料发展的一个方向。就目前来看，如果我们想要在家储存氢气的话，还是使用小型储氢瓶比较合适。

　　（作者系能源行业观察人士）