這是初中課本上的電解水公式
30年後，它可能價值8萬億——根據中國氫能聯盟預計，到2050年，中國氫氣需求量將達到6000萬噸，年經濟產值12萬億元，而這其中，70%將依靠電解制氫[1]。
“無碳”時代迎面走來
人類文明誕生至今，從木頭到煤炭，從石油到天然氣，碳元素的燃燒貢獻了大部分能量。
但人類還有自我拯救的方法——被譽為下一場工業革命的能源革命3.0，而這場新能源革命的主角，是氫。
氫能，一直被認為是一種終極能源，氫氣相比於其他燃料其燃燒產物最清潔，基本只產生無污染的水，而且燃燒產生的水又可以繼續制氫，反覆利用。其次，氫氣燃燒的比能量高，除核燃料以外氫氣的發熱值是所有燃料中最高的，是汽油發熱值的3倍。再者，它“輕如鴻毛”，作為我們瞭解到的最輕的物質，即使是加壓液化後的液態氫，密度也不及鋼鐵的1/10，這種低密度的性質使得它可以減輕燃料自重，增大運輸工具的有效載荷量，從而有效降低運輸成本。[2]
氫能的利用，將讓人類告別碳基能源。2000年，氫的生產成本是石油的40倍，到2010年，這一比例已降至15倍，如今其成本約為石油成本的兩倍，盈虧平衡在望。
也許在有生之年，我們能見到一個全新的時代——無碳的“氫能時代”。
目前，工業化制氫的方法有三條路線，分別叫做“灰氫”“藍氫”和“綠氫”。
“灰氫”路線是將化石燃料裂解，從中獲得氫氣。比如，將煤在隔絕空氣的條件下加熱，能得到焦炭，這一過程會產生焦爐煤氣，其中就含有大量的氫氣。不過，“灰氫”路線的產物中不可避免地伴生着一氧化碳、二氧化碳。
“藍氫”是“灰氫”的改良版，配合了碳捕捉技術，可以減少二氧化碳排放，但是成本也要高些。
“綠氫”是指用太陽能、風能這類可再生能源發電，再來電解水制氫。
目前，因為成本的關係，“灰氫”的產量佔了氫能的絕大部分。我國作為世界第一產氫大國，單單2017年，氫氣產量就超過2000萬噸，這其中化石燃料裂解產氫佔了近70%，電解水只有不到1%。
無論“灰氫”還是“藍氫”，都沒有從根本上解決碳排放的問題，所以電解制氫的“綠氫”才是氫能的未來。
於是，我們又要回到本文開頭時的公式，怎麼電解水？
拜託了，催化劑！
對於電解水，原理不是問題，操作起來也簡單。在水中加些電解質，插進兩個電極，加上電壓。一切順利的話，陰極生成氫氣, 陽極生成氧氣。
水的理論分解電壓在1.23V，然而這僅僅是理論上的。實際操作中，水中的物理化學環境會偏離理想狀態，需要施加的電壓往往超過1.23V，而這超過的部分被稱為“過電位”（overpotential） [3]。我們希望這個過電位越小越好，過電位越小，電解水需要的電能越少。
此時，催化劑該登場了。催化劑能降低反應過程中的阻力，把過電位降下來。
那什麼樣的催化劑是好催化劑呢？為了回答這個問題，我們還要再仔細琢磨一下電解水的過程。
氫氣的產生其實是分兩步的：首先是吸附過程，水中的氫離子吸附到催化劑表面，發生反應；之後再發生脱附，生成的氫氣脱離催化劑表面。
整個過程中，如果氫與催化劑表面結合太弱，吸附步驟不容易發生，會拖慢反應進程；而如果結合太強，脱離步驟就要克服更大的阻礙，花費更多時間[3]。
因此，最好的催化劑對氫的吸附能力應該不強不弱。
而在眾多元素中，對氫的吸附能力恰好處於中間狀態的就是——鉑（Pt）。
鉑的催化性能雖然好，但是缺點也顯而易見——太貴了。這種貴金屬元素，全世界每年的產量只有不到200噸，當前的價格大概350元一克。
雖然氫能事關重大，但高昂的價格足以讓人們望而卻步。
科學家們就想找找有沒有便宜點的替代品。幾十年來，他們測試了各種元素、各種組合對產氫的催化能力。從非貴金屬單質鐵、鈷、鎳、銅、鉬、鎢，再到它們的化合物，氧化物、硫化物、磷化物、硒化物[3]。
在幾乎遍歷了所有排列組合後，倒也確實發現幾種不錯的替代品。但為了達到與鉑接近的催化能力，這些候選材料要提高用量，或者經過複雜的處理，這樣一套操作下來，成本其實也沒便宜多少。有些學者甚至開始嘗試，在排列組合的基礎上再排列組合，也就是將多種催化劑材料相結合，想實現1+1>2的效果，想來又是一大波海量的工作。
當然，我們還有另一條路可走——就是儘量提升鉑的利用率。
只要一個原子
催化過程發生在催化劑的表面。在傳統鉑催化劑中，表層的鉑原子忙着吸附脱附，不亦樂乎，但內層的鉑卻無所事事，所以我們要想辦法讓更多的原子出工出力。
最簡單的辦法就是降低催化劑尺寸。一個邊長為2的立方體和八個邊長為1的立方體，體積相等，但後者表面積加起來是前者的2倍。
如果能不斷降低鉑的尺寸，就可以暴露出更多表面，讓更多原子參與到催化過程中。簡而言之，就是提高鉑的原子利用率。
最近幾十年，納米技術日新月異，已經有了成熟的方法把物質做到幾個納米的尺度。目前，在最常用的商用催化劑中，鉑顆粒的尺寸就是3~5nm。
但這還不夠。在小的這條路上，我們還可以走得更遠。
“小”的終點是——單個原子。將材料的尺寸降到原子級別，理論上能把原子利用率提高到100%。
理論中的設想越美好，實際做起來的挑戰越巨大。怎麼得到單原子？怎麼保持單原子的穩定存在？即使做出了單原子，它的催化能力又如何？在相當長的時間裏，這些問題一直困擾着科學家們。
直到2011年，我國的張濤院士團隊首次報道了“單原子催化劑”的成功製備。他們通過一種名為“共沉澱”的方法將鉑單原子分散在氧化鐵載體中。鉑與載體間的相互作用能夠讓單原子穩定存在，並且能表現出優異的催化性能[4]。
中國人證明了 “單原子催化劑”的路子是走得通的。
經過近10年的發展，我們也在不斷開發新的方法，做出更穩定，效果更好的催化劑。比如，2020年中國科學技術大學的學者，通過原子層沉積技術將鉑單原子固定在一種碳骨架中，僅用了2.5%質量含量的鉑元素，就實現了超過商用樣品（鉑含量為20%）的產氫能力[5]。
當然，不只是產氫，工業上很多反應都需要催化劑的參與。人們也在嘗試將各種催化劑降到原子尺度：單原子鉛（Pd）來加速乙烯氫化反應，單原子金（Au）來促進一氧化碳選擇性氧化反應等等[6]。現如今，單原子催化劑已經成為了最激動人心的科研領域之一。
人類社會進步的標誌之一，就是我們在越來越小的尺度上發揮材料的價值。從遠古祖先“釐米級”的打磨石頭，到工業革命“毫米級”的車牀加工，再到當下“納米級”的芯片製造。而“原子級”的生產領域，很可能率先被單原子催化劑所照亮。
有了這些高性能的單原子催化劑，我們也許能更早地走入到那個“氫能時代”。
幾十年後，上萬億的生意，沒準要落到這一個個原子的頭上。
參考文獻
[1] 中國氫能源及燃料電池產業白皮書（2019版），中國氫能聯盟.
[2] Isolda, Roger, Michael, A., Shipman, & Mark D. Symes. (2017). Earth-abundant catalysts for electrochemical and photoelectrochemical water splitting. Nature Reviews Chemistry. 1, 0003.
[3] Wang, A. , Li, J. , & Zhang, T. . (2018). Heterogeneous single-atom catalysis. Nature Reviews Chemistry. 2, 65-81.
[4] Qiao, B. , Wang, A. , Yang, X. , Allard, L. F. , & Zhang, T. . (2011). Single-atom catalysis of co oxidation using Pt1 /FeOx. Nature Chemistry, 3(8), 634-641.
[5] Fang, S. , Zhu, X. , Liu, X. , Gu, J. , & Yao, T. . (2020). Uncovering near-free platinum single-atom dynamics during electrochemical hydrogen evolution reaction. Nature Communications, 11(1), 1029.
[6] Cheng, N., Zhang, L., Doyle-Davis, K. et al. (2019). Single-Atom Catalysts: From Design to Application. Electrochem. Energ. Rev. 2, 539–573.
作者：圓的方塊
編輯：朱步衝
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