即將在《能源和環(huán)境科學(xué)》下一期刊印的一篇論文中，美國(guó)能源部Brookhaven國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究員將介紹一種低成本、穩(wěn)定、有效的催化劑，可以取代氫氣生產(chǎn)中成本高昂的鉑。這種催化劑由可再生大豆和大量鉬金屬制成，能夠以環(huán)境友好、經(jīng)濟(jì)高效的方式生產(chǎn)氫氣，可潛在地提高氫氣這種清潔能源的使用率。

該研究在Brookhaven化學(xué)家Wei-FuChen的指導(dǎo)以及JamesMuckerman、EtsukoFujita和KotaroSasaki的帶領(lǐng)下進(jìn)行，已得到參與該研究的高中學(xué)生Shilpa和ShwetaIyer的極高贊譽(yù)。

Muckerman表示：“論文報(bào)告從該研究項(xiàng)目的‘硬科學(xué)’開始說起，結(jié)論是這一氫氣催化劑性能最佳、不含任何貴金屬，甚至比塊狀鉑金屬更優(yōu)”。

該項(xiàng)目從Brookhaven小組的研究延伸到使用日光來研發(fā)替代燃料。其最終目標(biāo)是找到能夠直接使用太陽能，或通過太陽能電池產(chǎn)生的電能將碳?xì)浠衔锶紵?、水和二氧化碳的最終產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為碳基燃料的方法。這一過程被稱為“人造光合作用”，模擬植物將同樣材料轉(zhuǎn)化為能量（糖類）的過程。其中一個(gè)關(guān)鍵步驟是拆分水或水電解。

Sasaki解釋說：“通過將液態(tài)水(H2O)拆分為氫原子和氧原子，然后可以將氫原子再生為氣體(H2)并直接用作燃料。我們從儲(chǔ)量豐富的材料中尋求一種商業(yè)可行的催化劑用于水電解，結(jié)果確實(shí)讓人驚嘆”。

這種氫氣生產(chǎn)方式可以幫助科學(xué)家實(shí)現(xiàn)其最終目標(biāo)。

Brookhaven化學(xué)部人造光合作用小組組長(zhǎng)Fujita認(rèn)為，通過使用太陽能產(chǎn)生的氫氣氫化二氧化碳（或一氧化碳）來生產(chǎn)含碳燃料，這種方法的前景非常光明。

但在目前最有效的水拆分過程中，將鉑用作主要的催化劑材料成本太高，經(jīng)濟(jì)上不可行。

通過證明低成本鉬與碳相配對(duì)有潛在效益的試驗(yàn)，以及使用氮提供質(zhì)子交換膜水電解單元中所需的耐腐蝕、酸性環(huán)境，Brookhaven團(tuán)隊(duì)已確定一些有用的線索。

學(xué)生們首先尋找豐富且低廉的碳、氮來源，然后將它們與鉬鹽放在一起做化合測(cè)試。

據(jù)Chen敘述，聽說要使用日常生活中的類似材料來解決現(xiàn)實(shí)能源問題，學(xué)生們感到很興奮。該團(tuán)隊(duì)測(cè)試了大量來源，包括生物質(zhì)葉子、莖、花朵和豆科植物，特別是高蛋白質(zhì)物質(zhì)，因?yàn)榻M成蛋白質(zhì)的氨基酸是氮的豐富來源。高蛋白大豆被證實(shí)效果最佳。

制作催化劑的過程是：首先將大豆研磨成粉末，在水中將粉末與鉬酸銨混合，然后在惰性氬氣環(huán)境中對(duì)樣品進(jìn)行干燥和加熱處理。Chen解釋說：“隨后的高溫處理（滲碳）誘導(dǎo)鉬和大豆中的碳、氮成分發(fā)生反應(yīng)，生成碳化鉬和氮化鉬。這一過程非常簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)，且對(duì)環(huán)境無害”。

單獨(dú)材料的電化學(xué)測(cè)試顯示，碳化鉬用于將H2O轉(zhuǎn)化為H2很有效，但在酸性溶液中不穩(wěn)定；氮化鉬具有耐腐蝕性，但用于氫氣生產(chǎn)效率不高。但這兩種材料的納米結(jié)構(gòu)混合物卻很活躍、穩(wěn)定，即使在高酸性環(huán)境下測(cè)試500小時(shí)后也是如此。

研究人員將鉬-大豆催化劑(MoSoy)的高活性歸功于復(fù)合材料中碳化鉬階段和氮化鉬階段的協(xié)同效應(yīng)。

論文還介紹了在Brookhaven的國(guó)家同步光源(NSLS)實(shí)驗(yàn)室和功能性納米材料中心(CFN)對(duì)新催化劑進(jìn)行的結(jié)構(gòu)和化學(xué)研究，并進(jìn)一步提供這一新型催化劑的高性能細(xì)節(jié)。

“在起催化作用的鉬中心附近，如果存在氮原子和碳原子，可以促進(jìn)從水中分離氫氣的反應(yīng)過程”，Muckerman說。

科學(xué)家還將MoSoy催化劑固定在石墨片進(jìn)行測(cè)試，該方法已被證實(shí)可在電化學(xué)設(shè)備（例如電池、電容器、燃料電池和水電解器）中改善催化劑性能。利用高分辨率傳輸顯微鏡，科學(xué)家可以觀察被固定在2D石墨片上的MoSoy納米晶體。

在性能方面，固定在石墨片上的MoSoy催化劑超越了純鉑金屬。雖然不如后者活躍，MoSoy的高性能已大大激勵(lì)了人們的士氣。

Sasaki解釋說：“MoSoy納米晶體在石墨片上直接生長(zhǎng)可以增加強(qiáng)對(duì)偶混合材料與親和、無縫電子傳輸通路的形成，從而加快來自催化劑的氫氣的化學(xué)解吸附電子傳輸速率，進(jìn)而減少化學(xué)反應(yīng)所需的能量”。

科學(xué)家目前正在進(jìn)行一些附加的研究，以便更深入地了解催化劑與石墨的反應(yīng)本質(zhì)，探索進(jìn)一步提升其性能的方式。

在論文中，作者還附上了兩個(gè)學(xué)生的結(jié)論：“該研究明確論證了通過可控固態(tài)反應(yīng)，可以將鉬等廉價(jià)、儲(chǔ)量豐富的金屬轉(zhuǎn)化為催化劑。MoSoy催化劑的制備非常簡(jiǎn)單且可輕易擴(kuò)大。其長(zhǎng)期耐久性和超低資金成本可滿足其用于大型設(shè)備的先決條件。這些發(fā)現(xiàn)打開了利用廉價(jià)生物質(zhì)和過渡金屬，來生產(chǎn)電催化反應(yīng)催化劑的新前景”。