氢气是化石燃料的清洁、可再生替代品，但目前用于生产氢气的工业生产方法会将碳释放到大气中并污染环境。

一种新型催化剂，固定在泡沫镍上的碳化合物镍铁钼磷化物(NiFeMo-PC)，显着降低了从水中产生氢气和氧气所需的电量，提供了一种清洁高效的氢气生产方法。

一支由领先的化学工程师组成的团队合成了一种经济高效且易于制造的催化剂，旨在降低水电解所需的能量，水电解利用电力将水分子分解为氢气和氧气。

氢气和氧气分别通过析氢反应(HER)和析氧反应(OER)从水中分离出来。过渡金属合金或含有至少一种金属镍铁钼(NiFeMo)的混合物由于过渡金属原子镍和铁中的电子轨道不完全填充，使其成为理想的电子，因此被用作水电解的催化剂。化学反应中的供体和受体。将磷化物添加到催化剂中以提高在碱性或碱性pH电解质溶液中的耐腐蚀性。

该团队于7月7日在NanoResearchEnergy上发表了他们的研究结果。

“氢气因其高能量密度、高热转换效率和零碳排放而被公认为最理想的化石燃料替代品。然而，工业上常用的制氢方法包括天然气和甲醇的蒸汽重整以及天然气和甲醇的气化。煤炭，消耗化石燃料，对环境造成严重污染，”该研究的导师、中国长沙中南大学副教授唐晶晶说。

“水电解以水为原料，将电能转化为化学能来生产高纯度氢气，是一种清洁且有前景的制氢技术。”唐说。

用于降低HER和OER所需能量的催化剂以前就已经存在，但使用的是铂和氧化铱，这些有价值的元素既昂贵又供应短缺。创造一种可降低两个反应活化能的经济型催化剂可降低总体制造成本并提高清洁氢气生产的商业可行性。

设计双功能催化剂的挑战是OER的特殊要求。“由于OER是一种动力学缓慢的四电子转移反应，因此它通常在碱性溶液中表现更好。研究在碱性电解质中具有优异双功能性能的非贵金属电催化剂至关重要，”他说唐。该团队创造了合金和金属磷化物，以在这些碱性条件下保持催化剂的完整性。

为了测试生成的NiFeMo-PC催化剂的成分和价态，研究小组对该化合物进行了X射线光电子能谱(XPS)测量，以确认Ni、Fe、Mo、P、C和O的存在。镍的分辨率光谱还确定了2p3/2和2p1/2自旋轨道，这是指催化剂镍原子中电子的状态。

总体而言，新开发的NiFeMo-PC电催化剂需要非常低的过电势或分解水所需的能量，用于HER(87mV实现10mA·cm–2的电流密度)和OER(196mV实现10mA·cm–2的电流密度)。10mA·cm–2)。使用催化剂进行水电解所需的电池电压或两个电极之间的电压差在10mA·cm–2下也仅为1.50V。

该团队乐观地认为他们的发现将使清洁氢气生产成为现实。“与大多数双功能催化剂不同，NiFeMo-PC无需复杂的制备步骤和精细的纳米结构即可实现优异的催化性能。此外，50小时内无任何[电压]衰减的卓越耐用性......使NiFeMo-PC成为理想的[非贵金属]催化剂]候选......用于大规模氢气生产，”唐说。

其他贡献者包括来自中国长沙中南大学冶金与环境学院的周向阳、杨婷婷、李婷、子游局、张思静、杨雷、刘英康和杨娟。