低成本水分解制氢技术

据国外网站报道：“清洁能源经济”总是距我们一步之遥，却未曾企及。绝大多数的交通、生产及制造业仍依赖于化石能源。但随着一系列的科学技术突破，氢，这一宇宙中最丰富的元素，正逐渐成为未来清洁能源社会的能量载体。为了更进一步实现氢能的大规模应用，宾夕法尼亚州立大学和佛罗里达州立大学联合开发低成本工业规模催化剂，利用低能耗水解过程生产纯氢。

目前工业制氢的方法集中在甲烷重整制氢技术，其副产物二氧化碳排放到环境中会造成温室效应。该方法需消耗大量热能，通常来自核电站废热或太阳能，均面临着技术和高成本的挑战。此外，工业上还有利用铂催化水分解的方法制备氢气。尽管铂是理想的催化剂，但十分昂贵。如果能够有廉价催化剂替代铂，那么氢气替代化石燃料在交通等行业的应用指日可待。

二硫化钼（MoS₂）被认为是铂催化剂的替代品，因为其氢吸附吉布斯自由能接近0，而吉布斯自由能越低，使反应进行所需要的额外能量越少。然而，使用MoS₂作为催化剂仍存在较多问题。在稳定状态下，MoS₂是半导体，其传导电子能力有限。为解决该问题，宾夕法尼亚州立大学和佛罗里达州立大学的联合团队在催化剂中添加氧化石墨烯，氧化石墨烯是碳的一种高电导率结构。此外，为进一步降低自由能，该团队将MoS2和钨合金化，将氧化石墨烯和二硫化钼-钨合金交叠形成薄膜。钨的添加降低了水的电解电压，从纯二硫化钼所需的200mV降至96mV。至此，水的电解过程只需消耗少量的电能。将电极浸于溶液中并施加较低的电压，质子便被吸附在催化剂表面，两个质子一同迁移形成氢气并被释放。

从理论角度分析，电子轨道在这一过程中起到关键作用。使用纯MoS2作为催化剂时，金属的电子轨道与氢气的电子轨道在关键反应步骤中无法较好重叠；当使用二硫化钼-钨合金作为催化剂时，催化剂电子轨道与氢气的电子轨道交叠良好，使反应更高效地进行。这与铂作为催化剂电解水效率高的原因相同，但考虑到成本和铂的含量，二硫化钼-钨合金是更好的选择。