近日，中国科学技术大学高敏锐教授和团队发展出一种通过元素掺杂来驱动结构相变的策略，借此成功研制一种高纯度的白铁矿催化剂。

 一、   这是一种非贵金属催化剂，当以它作为阴极的时候，质子交换膜电解池可在 1Acm-2 和 60oC 条件下，运行 410 小时性能不衰减，电池槽压则能稳定在 1.79V 左右；日前，相关论文题目以《一种硫掺杂白铁矿结构高效催化质子交换膜电解池中氢气生成》（Efficient acidic hydrogen evolution in proton exchange membrane electrolyzers over a sulfur-doped marcasite-type electrocatalyst）为题发表在 Sci. Adv. [1]，张晓隆是第一作者，高敏锐为通讯作者。

1、通常，质子交换膜水电解池阴极铂载量在 0.5-1.0mgPtcm-2 的区间。虽然与阳极铱催化剂载量相比，阴极铂催化剂带来的成本占比相对较小；然而对于未来兆瓦级的电解系统来说，需要大量的阴极，因此对于贵金属铂的需求，将是一个不可小觑的数字。
2、特别是85% 以上铂资源位于南非，我国铂金属储量并不丰富。对于铂的依赖将严重制约我国质子交换膜电解水产业的纵深发展。为了防止贵金属变成“卡脖子”资源，该课题组一直从事基于地壳高丰度金属设计高性能催化剂的研究。
3、在本次成果中，这种金属八面体白铁矿结构在酸性介质中，不仅展现高析氢催化活性，在 10mAcm-2 时过电势仅为 67mV；更重要的是，在真实的电解器件中，该催化剂在 60oC 和商业级电流密度（1Acm-2）下，也能展现出优异的稳定性。
4、目前，他们正在对催化剂结构开展进一步的优化，希望这种廉价的催化剂能被用于工业电解制绿氢，实现质子交换膜电解池的去铂化。

1）氢能：全球各国的能源竞争之地/作为未来的“终极能源”，氢能是全球各国积极开展与推进的极具竞争性的研究领域。氢能的应用不仅涵盖我们熟悉的氢驱动汽车，还包括化学品合成、氢冶金、电力、住房供热等领域;当前，98% 以上的氢气来自化石燃料，也就是灰氢。灰氢价格相对比较便宜，每公斤单价大约 9-14 元。但是，获得氢气的过程往往伴随着巨大的二氧化碳排放，与“双碳”战略目标相悖。
2)利用可再生电能电解水制氢（即绿氢），则不会涉及碳排放的问题。但是，水分子非常稳定，必须在大量电能输入和催化剂的辅助之下，才能让水分子发生断键从而得到氢分子;此前，制取一公斤氢气需要消耗约 70 度电。近年来随着电催化剂性能的提升，制取一公斤氢气仍然需要消耗 55-60 度电。
3)以高敏锐所在的安徽省合肥市的居民阶梯电价为例，平均电价约为 0.59 元。以此来计算，目前电解水制一公斤氢气需要 32-35 元左右，远超化石能源的制氢成本;在此背景之下，氢能经济要想实现普及化，降低绿氢成本是必须解决的挑战之一。

5、目前的策略主要有两种：一是进一步降低可再生电能的价格，二是降低电解器件的成本。
1）在电解器方面，碱性电解技术从 20 世纪 20 年代发展至今已非常成熟，并已成为我国电解水制氢的主要技术；但是，碱性电解水制氢面临着操作电流小（小于 0.45Acm-2）、氢气纯度偏低（99.8%）、响应时间慢（与可再生电能的间歇性特征不匹配）等问题。
2）相比之下，质子交换膜电解器电流密度可达 1-2Acm-2、氢气纯度大于 99.99%，同时启停响应十分迅速。遗憾的是，质子交换膜电解器需要在酸性条件中工作，而这需要贵金属铂和铱作为电极催化剂，导致制备成本较高，以至于氢气价格也随之提升。
3）高敏锐课题组长期致力于设计高性能的非贵金属电催化剂，以期部分甚至完全替代贵金属催化剂，从而实现降低制氢成本；然而非贵金属比如 3d 金属的电子结构欠优化、晶格键能弱、结构易变性强，普遍面临催化活性低、以及稳定性差的科学难题。

6、在自然界中，一种叫做白铁矿的矿物结构，可以在极酸环境之下稳定存在，其金属溶解速率比另一种常见的黄铁矿结构慢 10 倍。受此启发，该团队创制了这种白铁矿催化剂。