基于废金属水解与过渡金属氮化物协同作用的高效制氢技术研究

本研究针对传统制氢方法的高成本与高碳排放问题，创新性地探索了废金属（Al/Mg/Zn等）水解制氢与过渡金属氮化物（TMNs）电催化协同体系。通过系统分析金属反应活性、TMNs电子结构调控及系统集成策略，实现了最高98%的氢产率和低至56 mV的HER过电位，为构建零碳制氢闭环提供了材料基础与工程范式。

　　

在全球能源转型的浪潮中，氢能因其零碳排放特性被视为破解化石燃料困局的"终极能源"。然而，当前96%的氢产量仍依赖高污染的蒸汽甲烷重整（SMR），而电解水制氢又受限于高昂的电耗和铂基催化剂成本。更棘手的是，全球每年产生数百万吨废金属（如铝罐、镁合金废料），传统处理方式既浪费资源又污染环境。这一能源与环境双重困局，催生了科学家对"变废为宝"制氢技术的探索。

国内研究团队在《Results in Engineering》发表的研究，开创性地将废金属水解与过渡金属氮化物（TMNs）电催化技术耦合，构建了"化学-电化学"双模制氢新范式。研究采用机械球磨活化、等离子体氮化、原位光谱表征等技术，系统解析了金属-水界面反应动力学与TMNs电子结构调控规律。

在"氢源自废金属"章节中，研究发现：铝废料经Ga-In共晶合金活化后，水解产氢率可达98%，较原生铝提升40%；镁合金通过Ar气氛球磨预处理，在海水中的产氢速率提高3倍；而锌废料与太阳能热系统集成后，实现62.6%的太阳能-氢能转化效率。研究特别指出，废铝饮料罐的薄壁结构使其比表面积达工业铝材的15倍，这种"缺陷工程"意外提升了反应活性。

"过渡金属氮化物催化"部分揭示：Ni₃N/Ni异质结因界面电荷重分布，在碱性条件下HER过电位仅56 mV；Mo₅N₆纳米片通过N空位调控d带中心，其TOF值超越商用Pt/C催化剂23倍；而VN-Co-P三元体系在酸性介质中展现137 mV@10 mA/cm²的卓越稳定性。

研究最具突破性的是提出"金属-TMN"协同机制：废铝水解产生的氢气经PSA纯化后，可直接通入WN/CC阴极系统，形成无需外部电源的自主供氢链。生命周期评估显示，该集成系统较传统SMR减少89%的CO₂排放，且金属氢氧化物副产物可循环再生。

这项研究的意义在于：技术上，建立了废金属活性调控与TMNs电子结构设计的普适性方法论；应用上，开发出适用于离网场景的模块化制氢装置；政策层面，为"城市矿山"与清洁能源的协同发展提供了实证案例。未来研究需攻克TMNs在酸性介质中的相变控制、废金属杂质耐受性提升等挑战，但已为全球氢能经济开辟了一条"以废制氢"的绿色捷径。