研究人员发现，一种丰富且廉价的金属——锰，可用于将二氧化碳高效转化为甲酸盐，而甲酸盐是燃料电池的潜在氢源。关键在于巧妙的重新设计，使这种催化剂的寿命远超其他类似的低成本材料。令人惊讶的是，改进后的锰催化剂甚至优于许多昂贵的贵金属材料。这一发现有助于将温室气体转化为清洁能源的原料。
该研究发表在期刊《Chem》上。主要作者包括耶鲁大学博士后研究员Justin Wedal和密苏里大学研究生研究助理Kyler Virtue。资深作者包括耶鲁大学教授Nilay Hazari和密苏里大学教授Wesley Bernskoetter。
氢燃料电池为何重要
氢燃料电池的工作原理类似于电池，将氢气的化学能转化为电能。尽管这项技术为清洁能源带来了希望，但由于高效生产和储存氢气的难度与成本，其大规模应用一直受到限制。
耶鲁大学文理学院（FAS）化学系主任、John Randolph Huffman化学教授Hazari表示："目前，在我们寻找可再生的化学原料来替代源自化石燃料的原料时，二氧化碳的利用是一个优先事项。"
甲酸盐作为氢载体
甲酸是甲酸盐的质子化形式，已经以工业规模进行生产。它通常用作防腐剂、抗菌剂以及皮革鞣制。许多科学家也将其视为燃料电池中氢气的实用来源，前提是能够以可持续且高效的方式生产。
如今，大多数工业甲酸盐的生产依赖化石燃料，这限制了其长期的环保效益。研究人员表示，一种更清洁的替代方案是直接从空气中的二氧化碳生产甲酸盐。这种方法既可以降低温室气体水平，又能产生一种有用的化学产品。
催化剂的挑战
将二氧化碳转化为甲酸盐需要催化剂，而这正是一个主要障碍。迄今为止开发的许多最有效的催化剂都依赖于昂贵、稀缺且通常有毒的贵金属。而储量更丰富的金属往往很快分解，从而降低了其驱动化学反应的能力。
锰如何超出预期
研究团队开发了一种新策略来克服这个问题。通过重新设计催化剂结构，他们显著延长了锰基催化剂的工作寿命。因此，这些催化剂的性能优于大多数贵金属替代品。
据研究人员称，关键的改进来自于在配体（配体是与金属原子键合并影响反应活性的原子或分子）设计中添加了一个额外的供体原子。这一变化有助于稳定催化剂并保持其有效性。
"看到配体设计以如此有意义的方式取得成功，我感到非常兴奋，"Wedal说。
对清洁化学的更广泛影响
研究团队相信，这种方法可以应用于二氧化碳转化之外的其他领域。类似的设计原理可能会改进用于其他化学反应的催化剂，从而可能扩大这项工作的影响。
耶鲁大学的研究人员Brandon Mercado和Nicole Piekut也为这项研究做出了贡献。该研究由美国能源部科学办公室资助。