二维金属碳化物引发的反应可将水分解为氧气和有价值的氢气，加州大学伯克利分校的研究人员发现了一种将这些纳米片制成胶状的简单新方法。
加州大学伯克利分校的研究人员开发出了一种新型、廉价且有效的催化剂，它可以像目前最好但最昂贵的水分解催化剂铂一样高效地从水中产生氢燃料。
该催化剂由纳米级金属碳化物薄片制成，通过自组装过程产生，而这个过程依赖于一种令人惊讶的成分：明胶，也就是使果冻变得有弹性的物质。
“铂金价格昂贵，因此人们希望找到其他替代材料来代替它，”加州大学伯克利分校机械工程学教授、资深作者林立伟说，“我们实际上是在使用类似果冻的东西作为这种新材料的基础，你可以吃它，并将其与一些丰富的地球元素混合，以创造一种用于重要催化反应的廉价新材料。”
电流的轰击可以打破水分子之间的牢固结合，产生氧气和氢气，后者是氢燃料电池的宝贵能源。氢气还可用于帮助储存可再生能源，这些能源有时是间歇性的。还有一些能源非常特殊，例如太阳能和风能。这些能源在阳光明媚或风吹拂时会产生多余的电力，但在雨天或无风的日子里，它们会处于休眠状态。
但简单地将电极插入一杯水中是生产氢气的极其低效的方法。过去 20 年来，科学家一直在寻找能够加速这一反应的催化剂，使其能够大规模生产。
“传统的利用水煤气生产氢气的方式在工业上仍然占主导地位。然而，这种方法会产生二氧化碳作为副产品。”“随着全球减少排放的需求，电催化制氢技术在过去十年中发展迅速。开发一种高效、低成本的电水解催化剂将带来深远的技术、经济和社会效益。”
为了制作这种催化剂，研究人员遵循了一种几乎像用盒子制作果冻一样简单的配方。他们将明胶和金属离子（钼、钨或钴）与水混合，然后让混合物干燥。
“我们认为，随着明胶变干，它会一层一层地自我组装，”林说。“金属离子由明胶携带，因此随着明胶的自我组装，金属离子也会排列在这些扁平的层中。”这些扁平的薄片使果冻具有独特的镜面外观。”
将混合物加热至 600 摄氏度，金属离子与明胶中的碳原子发生反应，形成纳米级金属碳化物薄片。未反应的明胶则燃烧殆尽。
研究人员将催化剂放入水中并通电，以测试其效率。当碳化钼和碳化钴堆叠在一起时，水分解效率最高，其次是碳化钨和碳化钴，后者分解水的效率不如碳化钼。钼会像碳化钴一样形成薄层。当钼离子与少量钴离子混合时，性能会进一步提高。
“其他形式的碳化物可能提供更好的性能，”林说。
明胶中的分子自然地自组装成扁平薄片，并携带金属离子（左）。将混合物加热到 600 摄氏度会烧掉明胶，留下纳米级的金属碳化物薄片。
这种催化剂的二维形状是它如此成功的原因之一。这是因为水必须与催化剂表面接触才能起作用，而薄片的大表面积意味着金属碳化物的重量非常轻，效率很高。
研究人员表示，由于配方非常简单，因此可以轻松扩大规模以生产大量催化剂。
“我们发现其性能非常接近由铂和碳制成的最佳催化剂，这是该领域的黄金标准，”林说，“这意味着我们可以用我们的材料替代非常昂贵的铂，而且这种材料是采用一种可扩展性极强的制造工艺制成的。”
该研究的共同作者是加州大学伯克利分校的 Lujie Yang、 Li 和 Wei；劳伦斯伯克利国家实验室的 J. 和 Zhu；上海交通大学的陈文树和顾家军；以及深圳研究院的邹晓龙和梁家明。