铁锈！经济高效的制氢催化剂问世

新能源时代，电动汽车中的锂电池车与氢燃料车正迎来正面的较量。但让很多人疑惑的是，在锂电池技术发展日益成熟的当下，为什么氢燃料要加快“上马”？2019年，我国《政府工作报告》中第一次提到了氢能源，并表示要大力推动充电、加氢等设施建设。

氢是一种无色的气体，在大自然中分布非常广泛。水是氢的大“仓库”，石油、煤炭、天然气、泥土、动植物体内等都含有氢。氢的主体是以化合物水的形式存在，地球表面约70%为水所覆盖，因此氢可以说是“取之不尽、用之不竭”的能源。

除核燃料外，氢的发热值（142.351kJ/kg）是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的，是汽油发热量的3倍。氢燃烧的产物是水，不会产生任何废渣和废气，对环境没有任何污染。因此，氢被认为是21世纪最理想的清洁能源，其中日本和韩国正在实行能源重组以实现零排放的“氢经济”，声称运输将主要由燃料电池汽车和燃氢发动机驱动。但是，截至目前为什么氢未能得到大范围应用呢？

据了解，氢气极易燃烧，且很容易从储罐泄漏，在存储和运输过程中可能引起爆炸危险；尽管纯氢自然存在于地球上，但其数量不足以实现具有成本效益的利用；氢原子必须从甲烷或水等分子中提取，这需要消耗大量能源；尽管目前存在几种生产氢燃料的技术，但科学家们还未能使该过程“足够有效”，氢尚未成为能源市场上具有商业竞争力的燃料。

常用的几种制氢方法：采用化石燃料制取氢气；从化工副产物中提取氢气，如采用来自生物的甲醇甲烷制取氢气，以及利用太阳能、风能对水进行电解等。作为相对传统的方式，化石燃料制氢的缺点在于既离不开对化石燃料的依赖，同时仍然会排出二氧化碳等温室气体，降低了制氢的环保效益。

目前，人们大多采用水蒸气或天然气蒸气重组反应合成氢气，但此过程中也会产生二氧化碳，不够环保；另一种电解水制氢，人们可运用再生能源电力与该技术来分解水，进而制造氢气与氧气，只是耗能又不省水。多年来，科学家们一直在努力寻求更为廉价，经济和环保的方式来生产氢气。实现这一目标最有效的方法之一是通过太阳能驱动的过程，即使用光来加速（或催化）将水分子分解为氧气和氢气。

20世纪70年代，曾有科学家研发出光催化制氢，即利用二氧化钛作为光催化剂，让阳光、紫外光分解水并制造氢、氧，最后再将氢气用于燃料电池。但是，二氧化钛制价格昂贵，且制氢量往往不高，若要提高效率，得使用钌、白金与镉等或昂贵或具有毒性的金属。

近日，日本东京理科大学的研究人员，发现了一种更便宜、更容易获得的半导体催化剂材料——一种称为针铁矿（α-FeOOH）的锈蚀形式。在相同的光下，汞/疝气灯照射下的产氢量可比二氧化钛催化剂高25倍，相关成果已发表于《化学》杂志。

针铁矿是常见的一种铁的氧化物，通常所见的铁锈都是由它组成，颜色为黄棕、暗棕色，是炼铁的重要原料，不仅来源广泛，市场也比较成熟。该新型光催化剂材料既可提高反应效率，还能解决太阳能驱动的氢气生产中使用半导体催化剂遇到的常见挑战：催化剂材料需要适合使用光能；当前使用的大多数光催化剂需要稀有或贵金属作为助催化剂，它们昂贵且难以获得；实际中生产氢气和氧气时如果不立即分离，则这两种气体的混合物可能会减少氢燃料的输出，最坏的情况甚至还会引起爆炸。

试验中，该研究团队首先在容器中放入水-甲醇溶液和催化剂α-FeOOH，再用氙气灯照射α-FeOOH，进而观察氢气的产量，以评估该系统生产氢气的效率及活化它的最佳实验条件。他们对于采用该催化剂制氢感到非常惊喜，因为大多数氧化铁不还原氢；而寻找活化α-FeOOH的条件时，他们又发现氧是不可缺少的因素。因为此前曾有许多研究表明，氧通过捕获激发的电子会抑制氢的产生。该团队通过利用“气相色谱-质谱分析”法，进一步证实了“水-甲醇溶液”中氢气的产生机制。

他们发现，α-FeOOH的活性是二氧化钛的25倍，从而支持了稳定持续的超过400h的氢气生产。此外，这种特殊形式的锈蚀有助于阻止氢气与容器中的氧气再度重新组合，使得两种气体的分离更为容易，进而降低爆炸风险。

接下来，需要更多的研究来优化此反应过程。氧在激活光诱导的α-FeOOH中的特定功能尚未公开，当从反应室中移出氧气时，系统会完全停止工作。因此该团队的下一步工作是精确研究氧气在激活光诱导的α-FeOOH反应中的作用。尽管这项技术仍然需要分解水才能产生氢，但这可能是使用日光的有效方法，而无需任何昂贵的催化剂。