丰富的清洁能源供应就潜藏在我们的眼前。这就是利用可再生能源从水（H2O）中提取的氢。研究人员正在寻找具有成本效益的策略，从水中提取清洁氢气，以取代化石燃料，应对气候变化。氢气是汽车的强大动力来源，只排放水。它在多个工业流程中也发挥着重要作用，尤其是在钢铁和合成氨的生产中。在这些工业中使用更清洁的氢气将大有裨益。
由美国能源部（DOE）阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory）领导的一个多机构团队开发出了一种低成本催化剂，用于从水中产生清洁氢气的过程。其他贡献者包括能源部的桑迪亚国家实验室、劳伦斯伯克利国家实验室以及 Giner 公司。
阿贡高级化学家 Di-Jia Liu 说："一种名为电解的工艺可以从水中产生氢气和氧气，这种工艺已经存在了一个多世纪。"他还在芝加哥大学普利兹克分子工程学院担任联合职务。
质子交换膜（PEM）电解器代表了这一过程的新一代技术。它们能在接近室温的条件下以更高的效率将水分离成氢和氧。能源需求的减少使其成为利用太阳能和风能等可再生但间歇性能源生产清洁氢气的理想选择。
高级化学家 Di-Jia Liu 在管式炉内检查热处理后的催化剂样品，博士后 Chenzhao Li 正在搬运用于催化剂合成的压力反应器。图片来源：阿贡国家实验室
这种电解器的每个电极（阴极和阳极）都使用不同的催化剂。阴极催化剂产生氢气，而阳极催化剂形成氧气。问题在于阳极催化剂使用的是铱，而铱目前的市场价格约为每盎司 5000 美元。铱的供应不足和高昂的成本成为 PEM 电解槽广泛应用的主要障碍。
新催化剂的主要成分是钴，其价格比铱便宜得多。Liu说："我们试图在PEM电解槽中开发一种低成本阳极催化剂，这种催化剂能以高产能产生氢气，同时能耗极低。通过使用我们的方法制备的钴基催化剂，可以消除在电解槽中生产清洁氢气的主要成本瓶颈。
Giner 公司是一家致力于电解槽和燃料电池商业化的领先研发公司，该公司利用其 PEM 电解槽测试站在工业运行条件下对新型催化剂进行了评估。其性能和耐用性远远超过了竞争对手的催化剂。
要进一步提高催化剂的性能，重要的是了解电解槽运行条件下原子尺度的反应机制。研究小组利用阿贡高级光子源 (APS) 的 X 射线分析，破解了催化剂在工作条件下发生的关键结构变化。他们还在桑迪亚实验室和阿贡纳米材料中心（CNM）使用电子显微镜确定了催化剂的关键特征。APS 和 CNM 都是能源部科学办公室的用户设施。
阿贡材料科学家文建国说："我们对新催化剂在不同制备阶段的表面原子结构进行了成像。此外，伯克利实验室的计算建模揭示了催化剂在反应条件下的耐久性的重要见解。
该团队的成就是能源部氢能源地球射击计划（Hydrogen Energy Earthshot initiative）向前迈出的一步，该计划模仿了 20 世纪 60 年代美国太空计划的"月球射击"（Moon Shot）。该计划的宏伟目标是在十年内将绿色氢气的生产成本降至每公斤一美元。以这样的成本生产绿色氢气可以重塑国家经济。其应用领域包括电网、制造、运输以及住宅和商业供暖。
Liu指出："更广泛地说，我们的研究成果为用成本更低、资源更丰富的元素取代昂贵的贵金属催化剂开辟了一条充满希望的道路"。