锰元素迎来高光时刻：有望成为制氢催化剂新星

在一项新研究中，来自耶鲁大学和密苏里大学的化学家们描述了一种设计更可持续催化剂的方法，用于将二氧化碳转化为甲酸盐。通向更可持续星球的道路，或许部分将由锰元素铺就。

根据耶鲁大学（Yale）和密苏里大学（University of Missouri）研究人员的一项新研究，含有锰（一种储量丰富、价格低廉的金属元素）的化学催化剂在将二氧化碳转化为甲酸盐方面被证明非常有效。甲酸盐被视为下一代燃料电池氢气的潜在关键来源。

这项新研究发表在《化学》期刊上。论文的通讯作者是耶鲁大学博士后研究员贾斯汀·韦达尔和密苏里大学研究生研究助理凯勒·弗丘；资深作者是耶鲁大学的尼莱·哈扎里教授和密苏里大学的韦斯利·伯恩斯克特教授。

与电池类似，氢燃料电池将氢气的化学能转化为电能。广泛使用此类技术的一个挑战是开发具有成本效益的制氢和储氢方法。

“二氧化碳利用是当前的一个优先方向，因为我们在寻找可再生的化学原料来取代源自化石燃料的原料，”耶鲁大学文理学院化学系主任、约翰·兰道夫·赫夫曼化学教授哈扎里说道。

（左起）贾斯汀·韦达尔和尼莱·哈扎里在耶鲁大学哈扎里实验室领导了这项研究。图片来源：Allie Barton

甲酸是甲酸盐的质子化形式，是一种大规模工业化生产的商品化学品，用作防腐剂、抗菌剂和鞣制剂。许多研究者也将其视为燃料电池氢气的可能来源——前提是能够以可持续且高效的方式生产。

目前，工业规模的甲酸盐生产涉及使用化石燃料，因此从长远来看不被认为是可持续的选择。研究人员表示，更环保的方法是利用大气中的二氧化碳来制造甲酸盐，这本质上是在去除温室气体并将其转化为有用产品。

但要做到这一点，需要催化剂。而这正是研究人员面临的挑战。

韦达尔在实验室工作，他是这项新研究的共同通讯作者。图片来源：Allie Barton

许多正在开发的有效潜在催化剂基于贵金属，这些金属价格昂贵、储量较少且毒性高。另一方面，那些更丰富、更可持续且更便宜的金属催化剂往往效果较差，因为它们分解迅速，这限制了它们将二氧化碳转化为甲酸盐的能力。

哈扎里的团队提出了一种新方法。

研究人员能够将锰基催化剂的催化寿命延长到如此程度，以至于其效率超过了大多数贵金属催化剂。他们表示，关键创新在于通过向配体设计（配体是与金属原子键合并影响反应性的原子或分子）中添加另一个供体原子来稳定催化剂。

“我很高兴看到配体设计以如此有意义的方式获得回报，”韦达尔说。

研究人员还表示，他们的方法可能广泛适用于其他催化转化过程，而不仅限于二氧化碳转化为甲酸盐。

耶鲁大学的布兰登·梅尔卡多和妮可·皮库特是这项研究的合著者。研究资金来自美国能源部科学办公室（U.S. Department of Energy’s Office of Science）。

（素材来自：耶鲁大学/密苏里大学 全球氢能网、新能源网综合）