錳元素迎來高光時刻：有望成為制氫催化劑新星

在一項新研究中，來自耶魯大學和密蘇里大學的化學家們描述了一種設計更可持續催化劑的方法，用于將二氧化碳轉化為甲酸鹽。通向更可持續星球的道路，或許部分將由錳元素鋪就。

根據耶魯大學（Yale）和密蘇里大學（University of Missouri）研究人員的一項新研究，含有錳（一種儲量豐富、價格低廉的金屬元素）的化學催化劑在將二氧化碳轉化為甲酸鹽方面被證明非常有效。甲酸鹽被視為下一代燃料電池氫氣的潛在關鍵來源。

這項新研究發表在《化學》期刊上。論文的通訊作者是耶魯大學博士后研究員賈斯汀·韋達爾和密蘇里大學研究生研究助理凱勒·弗丘；資深作者是耶魯大學的尼萊·哈扎里教授和密蘇里大學的韋斯利·伯恩斯克特教授。

與電池類似，氫燃料電池將氫氣的化學能轉化為電能。廣泛使用此類技術的一個挑戰是開發具有成本效益的制氫和儲氫方法。

“二氧化碳利用是當前的一個優先方向，因為我們在尋找可再生的化學原料來取代源自化石燃料的原料，”耶魯大學文理學院化學系主任、約翰·蘭道夫·赫夫曼化學教授哈扎里說道。

（左起）賈斯汀·韋達爾和尼萊·哈扎里在耶魯大學哈扎里實驗室領導了這項研究。圖片來源：Allie Barton

甲酸是甲酸鹽的質子化形式，是一種大規模工業化生產的商品化學品，用作防腐劑、抗菌劑和鞣制劑。許多研究者也將其視為燃料電池氫氣的可能來源——前提是能夠以可持續且高效的方式生產。

目前，工業規模的甲酸鹽生產涉及使用化石燃料，因此從長遠來看不被認為是可持續的選擇。研究人員表示，更環保的方法是利用大氣中的二氧化碳來制造甲酸鹽，這本質上是在去除溫室氣體并將其轉化為有用產品。

但要做到這一點，需要催化劑。而這正是研究人員面臨的挑戰。

韋達爾在實驗室工作，他是這項新研究的共同通訊作者。圖片來源：Allie Barton

許多正在開發的有效潛在催化劑基于貴金屬，這些金屬價格昂貴、儲量較少且毒性高。另一方面，那些更豐富、更可持續且更便宜的金屬催化劑往往效果較差，因為它們分解迅速，這限制了它們將二氧化碳轉化為甲酸鹽的能力。

哈扎里的團隊提出了一種新方法。

研究人員能夠將錳基催化劑的催化壽命延長到如此程度，以至于其效率超過了大多數貴金屬催化劑。他們表示，關鍵創新在于通過向配體設計（配體是與金屬原子鍵合并影響反應性的原子或分子）中添加另一個供體原子來穩定催化劑。

“我很高興看到配體設計以如此有意義的方式獲得回報，”韋達爾說。

研究人員還表示，他們的方法可能廣泛適用于其他催化轉化過程，而不僅限于二氧化碳轉化為甲酸鹽。

耶魯大學的布蘭登·梅爾卡多和妮可·皮庫特是這項研究的合著者。研究資金來自美國能源部科學辦公室（U.S. Department of Energy’s Office of Science）。

（素材來自：耶魯大學/密蘇里大學 全球氫能網、新能源網綜合）