氢气是一种很有前途的化学和能源载体，可以使我们的社会脱碳。与传统燃料不同，氢气作为燃料不会产生二氧化碳。不幸的是，今天我们社会生产的大部分氢气都来自化石燃料甲烷。它是在一个导致大量二氧化碳排放的过程(甲烷重整)中产生的。因此，生产绿色氢气需要可扩展的替代工艺。
水电解提供了一种生产绿色氢气的方法，这种氢气可以由可再生能源和清洁电力驱动。该过程需要阴极和阳极催化剂来加速原本效率低下的反应，即水分解和重新结合成氢气和氧气。自 18 世纪末被发现以来，水电解已经发展成为不同的技术。水电解最有前景的实现之一是质子交换膜 (PEM)，它可以结合高速率和高能效来生产绿色氢气。
到目前为止，水电解(尤其是 PEM)需要基于稀有元素(例如铂和铱等)的催化剂。只有少数化合物能够满足该反应所要求的严苛化学环境所需的活性和稳定性。对于阳极催化剂而言，这尤其具有挑战性，因为阳极催化剂必须在高腐蚀性酸性环境中运行，而只有氧化铱在所需的工业条件下才能稳定运行。但铱是地球上最稀缺的元素之一。
为了寻找可能的解决方案，一个科学家团队最近迈出了重要的一步，寻找铱催化剂的替代品。这个多学科团队设法开发出一种新方法，通过利用迄今为止尚未开发的水的特性，为无铱催化剂赋予活性和稳定性。这种新催化剂首次在不使用铱的情况下，在工业条件下实现了 PEM 水电解的稳定性。
这一突破性成果发表在《科学》杂志上，由加泰罗尼亚科学与工业研究基金会 (ICFO) 的研究人员 Ranit Ram、Lu Xia 博士、Anku Guha 博士、Viktoria Golovanova 博士、Marinos Dimitropoulos 博士、Aparna M. Das 和 Adrián Pinilla-Sánchez 共同完成，并由加泰罗尼亚科学与工业研究基金会 (ICFO) 的 F. Pelayo García de Arquer 教授领导;其中包括来自加泰罗尼亚化学研究所 (ICIQ)、加泰罗尼亚科学技术研究所 (ICN2)、法国国家科学研究中心 (CNRS)、Diamond Light Source 和先进材料研究所 (INAM) 的重要合作。
处理酸性
在高酸性环境中兼具活性和稳定性是一项挑战。催化剂中的金属往往会溶解，因为大多数材料在低 pH 值和施加电位的水环境中在热力学上不稳定。氧化铱在这些恶劣条件下兼具活性和稳定性，这就是为什么它们是质子交换水电解中阳极的普遍选择。