氢能被广泛视为未来可持续发展的能源来源，但其大规模生产仍依赖于昂贵且稀缺的铂基催化剂。为了解决这一挑战，研究人员开发了双（亚氨基）钯配位纳米薄膜（PdDI），这是一种新型的二维电催化剂，能够有效促进氢气生成反应，同时减少贵金属如铂的使用，为氢气生产的经济性铺平了道路。
氢能正成为推动清洁、可持续未来的关键驱动力，提供了一种零排放的替代化石燃料的选择。尽管前景广阔，氢气的大规模生产仍然严重依赖昂贵的铂基催化剂，因此可负担性仍然是行业的一大挑战。
为了超越这一局限，来自东京科技大学（TUS）的研究人员开发了一种新型氢气生成催化剂，双（亚氨基）钯配位纳米薄膜（PdDI），其在成本的一小部分下提供类似铂的效率。他们的研究成果于2024年11月28日发表，并于2025年1月27日在线发表在《化学——欧洲期刊》第31卷第6期，亦被选为该期刊的“封面特色”。
该研究由TUS的前田博明博士和西原宏教授主导，联合了来自东京大学、日本同步辐射研究所、京都工业大学、RIKEN SPring-8中心和日本材料科学研究所的高水平研究人员。这一发现标志着氢气生成反应（HER）技术的突破，该过程是绿色氢能生成的关键过程。HER发生在电解分解水以生成氢气的过程中。传统上由铂制成的HER催化剂电极促进了在水分解过程中产生的原生氢（[H]）转化为氢气（H2）。尽管铂（Pt）作为HER催化剂的效果极为显著，但其稀缺性和高成本显著提高了制造费用，限制了其大规模应用。
研究团队利用简单的合成工艺和有限的贵金属使用量，提供了一种高效的铂催化剂替代品。团队制造了钯基纳米薄膜，能够在最小化金属使用的同时最大化催化活性，从而大幅降低与H2生产相关的成本。
“开发高效的HER电催化剂是可持续H2生产的关键。双（亚氨基）金属配位纳米薄膜，凭借其高导电性、大表面积和高效的电子转移，是很有前景的候选者，”首席研究员前田博士表示。“此外，它们稀疏的金属排列减少了材料使用。在这里，我们成功地利用钯金属开发了这些纳米薄膜。”
该团队通过气-液界面合成法和电化学氧化分别开发了PdDI纳米薄膜（C-PdDI和E-PdDI）。经过激活后，E-PdDI薄膜表现出34 mV的低过电位，以及铂的35 mV过电位，这意味着驱动氢气生产所需的额外能量非常少。2.1 mA/cm²的交换电流密度也与铂的催化性能相匹配。因此，结果使E-PdDI成为迄今为止开发的最高效的HER催化剂之一，成为铂的有希望的低成本替代品。
任何催化剂的重要方面之一是其长期稳定性。这些PdDI纳米薄膜在酸性条件下经过12小时后仍保持完整，确认了其适用于实际的氢气生产系统。“我们的研究让我们更接近于使H2生产更具经济性和可持续性，这是实现清洁能源未来的重要一步，”前田博士解释道。
此外，通过减少对稀缺且昂贵的铂的依赖，PdDI纳米薄膜与联合国可持续发展目标（SDGs）相一致：SDG 7 – 促进可负担和清洁的能源，SDG 9 – 工业、创新和基础设施。这项研究的影响远超实验室实验。PdDI纳米薄膜的可扩展性、增强的活性和经济性，使其在工业氢气生产、氢燃料电池和大规模储能系统方面极具吸引力。
此外，用PdDI替代铂基催化剂可以减少矿业相关的排放，加速向可持续氢经济的转型。同时，钯原子的密度是铂原子的十分之一，减少了对贵金属铂的依赖，并朝着成本效益生产电极的目标迈进。用PdDI纳米薄膜替代铂有望在汽车、氢气生产和电极供应行业产生良好的成果。
随着研究的进展，TUS团队旨在进一步优化PdDI纳米薄膜以实现商业化，为发展环保的氢社会做出贡献。
