即將在《能源和環境科學》下一期刊印的一篇論文中，美國能源部Brookhaven國家實驗室的研究員將介紹一種低成本、穩定、有效的催化劑，可以取代氫氣生產中成本高昂的鉑。這種催化劑由可再生大豆和大量鉬金屬制成，能夠以環境友好、經濟高效的方式生產氫氣，可潛在地提高氫氣這種清潔能源的使用率。

該研究在Brookhaven化學家Wei-FuChen的指導以及JamesMuckerman、EtsukoFujita和KotaroSasaki的帶領下進行，已得到參與該研究的高中學生Shilpa和ShwetaIyer的極高贊譽。

Muckerman表示：“論文報告從該研究項目的‘硬科學’開始說起，結論是這一氫氣催化劑性能最佳、不含任何貴金屬，甚至比塊狀鉑金屬更優”。

該項目從Brookhaven小組的研究延伸到使用日光來研發替代燃料。其最終目標是找到能夠直接使用太陽能，或通過太陽能電池產生的電能將碳氫化合物燃燒、水和二氧化碳的最終產物轉化為碳基燃料的方法。這一過程被稱為“人造光合作用”，模擬植物將同樣材料轉化為能量（糖類）的過程。其中一個關鍵步驟是拆分水或水電解。

Sasaki解釋說：“通過將液態水(H2O)拆分為氫原子和氧原子，然后可以將氫原子再生為氣體(H2)并直接用作燃料。我們從儲量豐富的材料中尋求一種商業可行的催化劑用于水電解，結果確實讓人驚嘆”。

這種氫氣生產方式可以幫助科學家實現其最終目標。

Brookhaven化學部人造光合作用小組組長Fujita認為，通過使用太陽能產生的氫氣氫化二氧化碳（或一氧化碳）來生產含碳燃料，這種方法的前景非常光明。

但在目前最有效的水拆分過程中，將鉑用作主要的催化劑材料成本太高，經濟上不可行。

通過證明低成本鉬與碳相配對有潛在效益的試驗，以及使用氮提供質子交換膜水電解單元中所需的耐腐蝕、酸性環境，Brookhaven團隊已確定一些有用的線索。

學生們首先尋找豐富且低廉的碳、氮來源，然后將它們與鉬鹽放在一起做化合測試。

據Chen敘述，聽說要使用日常生活中的類似材料來解決現實能源問題，學生們感到很興奮。該團隊測試了大量來源，包括生物質葉子、莖、花朵和豆科植物，特別是高蛋白質物質，因為組成蛋白質的氨基酸是氮的豐富來源。高蛋白大豆被證實效果最佳。

制作催化劑的過程是：首先將大豆研磨成粉末，在水中將粉末與鉬酸銨混合，然后在惰性氬氣環境中對樣品進行干燥和加熱處理。Chen解釋說：“隨后的高溫處理（滲碳）誘導鉬和大豆中的碳、氮成分發生反應，生成碳化鉬和氮化鉬。這一過程非常簡單、經濟，且對環境無害”。

單獨材料的電化學測試顯示，碳化鉬用于將H2O轉化為H2很有效，但在酸性溶液中不穩定；氮化鉬具有耐腐蝕性，但用于氫氣生產效率不高。但這兩種材料的納米結構混合物卻很活躍、穩定，即使在高酸性環境下測試500小時后也是如此。

研究人員將鉬-大豆催化劑(MoSoy)的高活性歸功于復合材料中碳化鉬階段和氮化鉬階段的協同效應。

論文還介紹了在Brookhaven的國家同步光源(NSLS)實驗室和功能性納米材料中心(CFN)對新催化劑進行的結構和化學研究，并進一步提供這一新型催化劑的高性能細節。

“在起催化作用的鉬中心附近，如果存在氮原子和碳原子，可以促進從水中分離氫氣的反應過程”，Muckerman說。

科學家還將MoSoy催化劑固定在石墨片進行測試，該方法已被證實可在電化學設備（例如電池、電容器、燃料電池和水電解器）中改善催化劑性能。利用高分辨率傳輸顯微鏡，科學家可以觀察被固定在2D石墨片上的MoSoy納米晶體。

在性能方面，固定在石墨片上的MoSoy催化劑超越了純鉑金屬。雖然不如后者活躍，MoSoy的高性能已大大激勵了人們的士氣。

Sasaki解釋說：“MoSoy納米晶體在石墨片上直接生長可以增加強對偶混合材料與親和、無縫電子傳輸通路的形成，從而加快來自催化劑的氫氣的化學解吸附電子傳輸速率，進而減少化學反應所需的能量”。

科學家目前正在進行一些附加的研究，以便更深入地了解催化劑與石墨的反應本質，探索進一步提升其性能的方式。

在論文中，作者還附上了兩個學生的結論：“該研究明確論證了通過可控固態反應，可以將鉬等廉價、儲量豐富的金屬轉化為催化劑。MoSoy催化劑的制備非常簡單且可輕易擴大。其長期耐久性和超低資金成本可滿足其用于大型設備的先決條件。這些發現打開了利用廉價生物質和過渡金屬，來生產電催化反應催化劑的新前景”。