在追求去碳化的過程中，氫氣作為一種有前景的清潔燃料愈加受到重視。儘管氫氣擁有無排放地驅動工業和運輸的潛力，但在可持續氫氣生產方面卻面臨一個主要挑戰，即高昂的成本和稀有金屬銥（iridium）的短缺。來自萊斯大學（Rice University）的研究團隊開發了一種新型催化劑，能夠將質子交換膜（PEM）電解槽中銥的使用量減少超過 80%。這一突破有望使綠色氫氣的生產變得更加經濟實惠和可擴展。
萊斯大學化學與生物分子工程副教授王浩天（Haotian Wang）表示：「這是朝著使綠色氫氣變得更加可獲得和可擴展的重要一步。通過減少超過 80% 的銥使用，我們正在解決氫氣經濟體中最大的經濟和供應鏈瓶頸之一。」目前的 PEM 電解槽對銥的依賴程度極高，這是能夠承受水分解的苛刻酸性環境的少數金屬之一。然而，銥是地球上最稀有的元素之一，價格約為每克 $160 / 約 HK$ 1,248。王浩天指出：「如果不減少銥的消耗，僅電解槽的需求預測就可能超過全球年產量的 75%。如果我們認真對待氫氣生產的擴展，這顯然是不可持續的。」
為了解決這一問題，萊斯團隊設計了一種催化劑，將銥原子嵌入鉑氧化物（ruthenium oxide）晶格中，而不是簡單地塗覆在表面。與德諾拉科技（De Nora Tech）合作，他們利用密度泛函理論和蒙特卡羅模擬預測最佳的原子排列。萊斯大學化學與生物分子工程副教授托馬斯·森夫特爾（Thomas Senftle）表示：「模擬結果顯示，潛層中的銥原子起著關鍵作用。它們幫助保護上方的鉑原子免於在極端電化學條件下溶解。」
團隊合成了一種名為 Ru₆IrOₓ 的材料，具有六比一的鉑與銥的比例。這種材料在超過 1,500 小時的時間內，保持了每平方厘米 2 安培的工業級電流密度，且幾乎沒有降解。森夫特爾指出：「關鍵在於實現銥在鉑氧化物結構中的均勻分佈。這種均勻性促進了穩定性，因為銥有助於穩定氧化物晶格中鄰近的鉑原子。」德諾拉科技的工業測試確認了這種催化劑的性能。在一個 25 平方厘米的 PEM 電解槽中，萊斯設計的催化劑在使用極少金屬的情況下，其活動性與純銥系統相當。
經濟分析顯示，將標準銥氧化物替換為 Ru₆IrOₓ 可將陽極催化劑的成本降低超過 80%。這一設計還能減少對銥價格波動的暴露。除了成本之外，這項研究還在催化劑工程上提供了一種新的範式，即從內部穩定材料，而不是單純通過塗層來保護它們。森夫特爾表示：「這項工作突顯了理論與實驗如何手牽手合作。通過將原子尺度的模擬與嚴謹的實驗測試相結合，我們能夠精確確定少量銥如何穩定整個氧化物晶格。」
這項研究得到了韋爾奇基金會、帕卡德基金會和國家科學基金會的支持，可能有助於加速全球氫氣的採用。王浩天指出：「如果我們能夠使電解槽更便宜、更耐用且減少對稀有材料的依賴，氫氣可以成為真正全球性的可再生燃料。」該研究成果已發表在《自然納米技術》（Nature Nanotechnology）期刊上。
