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传统水电解受膜电极组件成本高和析氧反应（OER）慢等问题制约，绿氢成本高昂。研究人员开展双金属硫化物簇锚定缺陷氮化硼用于尿素氧化制氢的研究。结果显示该体系节能超 60%，成本低于灰氢，达美国能源部 2030 年目标，意义重大。
在当今能源领域，氢能凭借清洁、高效等诸多优势，成为全球能源转型进程中备受瞩目的 “潜力股”。通过电催化水分解来制取氢气，借助太阳能、风能等可再生能源驱动，无疑是一条绿色且环保的制氢路径，前景十分诱人。然而，现实却给这份美好前景泼了一盆冷水。传统的质子交换膜水电解（PEMWE）和碱性水电解（AWE）技术在实际应用中困难重重。一方面，用于分离氢气和氧气的膜不仅价格昂贵，而且 “娇贵” 得很，在高压或低电流密度的环境下极易受损。一旦气体发生 crossover（渗透），膜就会加速老化，电解槽也会跟着遭殃，维护成本居高不下。另一方面，阳极的析氧反应（OER）动力学缓慢得如同蜗牛爬行，要达到 200 - 1,000 mA?cm-2的电流密度，就不得不施加 1.80 - 2.20 V 的高电压，这使得每生产 1 立方米氢气就要消耗 4.50 - 5.00 kWh 的电量，制氢成本蹭蹭上涨。也正因如此，目前绿氢在全球氢气生产总量中所占的比例仅有可怜的 0.1%，与成本低廉的灰氢相比，简直是天壤之别。
面对这些难题，科研人员没有退缩，一场攻克绿氢制取困境的科研攻关悄然展开。来自未知研究机构的科研团队挺身而出，致力于寻找新的解决方案。他们将目光聚焦于尿素氧化反应（UOR），并创新性地提出利用双金属硫化物簇锚定超薄氮化硼的方法，设计出了一种全新的无膜电解槽（MFE）系统。经过不懈努力，他们取得了令人瞩目的成果。该系统成功降低了 60% 以上的电力消耗，制氢成本低至 1.49 美元 /kg H2，比灰氢成本还低，完美契合了美国能源部（DOE）制定的 2030 年目标（2.00 美元 /kg H2） 。这一突破为实现大规模、低成本的绿氢生产带来了新希望，有望推动氢能产业进入一个全新的发展阶段。该研究成果发表在《Applied Catalysis B: Environment and Energy》上，引起了业内广泛关注。
在这项研究中，科研人员主要运用了以下关键技术方法：一是采用密度泛函理论（DFT）计算进行高通量计算筛选，从众多双金属硫化物簇中精准找出理想的催化剂；二是通过低温水热法合成目标材料 NiFeS2/d - BNNS；三是利用原位研究和理论计算深入探究催化反应机制。
材料选择与合成
研究人员精心挑选了多种化学试剂，如从 NEWARE 购买的硝酸铁九水合物 Fe (NO3)3·9H2O、硝酸镍六水合物 Ni (NO3)2·6H2O，从 Aladdin Industries 采购的商用六方氮化硼（h - BN），以及从 Adamas - beta 购入的氢氧化钾（KOH）、氢氧化钠（NaOH）和尿素等。实验全程使用去离子水（DI），这些化学试剂均为高纯度，无需额外提纯。在材料合成环节，科研人员采用低温水热法成功制备出 NiFeS2/d - BNNS。
筛选理想催化剂
科研人员依据图 1b 开展高通量计算筛选工作，对多种由不同非贵金属封装、具有独特碳结构的 Ni - S 簇（MNS/d - B，M 代表 Ti、V、Cr 等多种金属）进行深入研究。他们仔细对比这些材料的结构稳定性和电催化性能，并将计算得到的形成能（Ef）和溶解电位（Udiss）进行汇总分析，最终确定 Fe - Ni - S 锚定缺陷氮化硼纳米片（FNS/d - B）为理想的析氢反应（HER）催化剂。
催化剂性能卓越
实验结果令人惊喜，FNS/d - B 表现堪称优异。在尿素氧化反应（UOR）过程中，它展现出极高的硝酸盐选择性（＞80%），将原本的 “废物” 尿素转化为宝贵的资源。其析氢性能更是出众，过电位仅为 10.4 mV vs. RHE，Tafel 斜率低至 21.6 mV/dec，远超铂（Pt）、钌（Ru）等贵金属以及商业电极。而且，该催化剂能以超过 95% 的氢气法拉第效率（FE）从尿素中回收亚硝酸盐，在过往研究中从未有过如此高的效率。
系统稳定性佳
无膜电解槽（MFE）系统的稳定性也十分出色。在高温（80℃，10 mA?cm-2条件下持续运行 900 小时）、全 pH 范围以及安培级电流密度（循环 10000 次后，在 1 A?cm-2下过电位为 234.4 mV vs. RHE ）的严苛环境中，依然能够稳定运行，催化活性保持良好。与传统的碱性水电解（AWE）相比，MFE 系统在制氢过程中的能源消耗大幅降低了 60%，真正实现了节能高效的制氢目标。
在研究结论和讨论部分，科研人员成功构建了创新且高效的无膜电解槽（MFE）系统。该系统借助高通量筛选技术优化双金属硫化物簇在超薄氮化硼上的负载，不仅实现了低成本制氢，还能从尿素中回收高附加值的化学品。这一成果对氢能产业发展意义非凡，极大地降低了绿氢生产成本，缩小了与灰氢的成本差距，朝着美国能源部 2030 年的目标迈进了一大步。同时，该研究为后续开发更高效、更稳定的电催化材料和制氢系统提供了宝贵的理论依据和实践经验，有望带动整个能源领域在可持续发展道路上加速前进。
