研究人员通过水电解更接近绿色氢气

水电解提供了一种理想的氢气生产工艺，它可以在越来越依赖可再生电力的全球能源转型中发挥关键作用，但其目前的生产过程碳排放量极其巨大。

作为一种能源，由于价格昂贵以及对生产氢气所用催化剂的了解不足，氢气在很大程度上尚未得到开发。西北大学研究人员对最有前景的催化剂铱基氧化物进行了一项新研究，该研究设计出了一种新型催化剂，该催化剂可保持更高的活性、更长的稳定性和更高效的铱利用率，从而使绿色氢气生产成为可能。

该论文发表在《自然催化》杂志上，结合了互补的电子和X射线表征技术，首次确定了氧化铱表面在水电解过程中如何变化的实验证据。

“现在我们终于知道了这些材料表面活性位点的性质，我们可以设计出仅具有我们确定的三种结构的未来催化剂，以实现优化性能和更有效地利用珍贵的铱，”西北大学电化学家兼论文第一作者 Linsey Seitz 说。

Seitz 是西北大学麦考密克工程学院化学与生物工程助理教授，也是可再生能源专家。

这种“珍贵的铱”是铂矿开采的一种稀有副产品，也是目前唯一可用于绿色氢气生产的催化剂，因为该反应的操作条件极其苛刻。

水电解，即利用电分解水分子的过程，通过质子交换膜(PEM)水电解技术进行，很有前景，因为它可以完全依靠可再生电力运行，但该反应发生在酸性环境中，这限制了可使用的催化剂类型。

反应条件也会显著改变催化剂材料的表面结构。这些重组的催化剂表面结构一直难以识别，因为它们在水电解过程中变化迅速，而且可以通过成像方法损坏。

先前的研究已经通过计算预测了氧化铱表面可能存在的连接类型，但从未能够提供直接的实验证据。

在当前的研究中，发现之前在催化反应后被描述为“无定形”(没有可检测的结构)的三种连接类型具有不同的准晶体结构，并且被发现对催化剂的稳定性和活性负有最大责任。

Seitz 团队的工作流程显著减少了这些技术带来的损害，从而能够更准确地分析复杂材料的结构。首先，研究人员使用基于电子的显微镜和散射来识别水电解过程之前和之后的催化剂表面结构。然后他们用高分辨率 X 射线光谱和散射确认了结果。

Seitz 表示：“我们很高兴能够扩展这些表征技术，以严格分析其他复杂、活性的催化剂材料，这些材料的相关活性结构迄今为止还无法通过实验识别。”

“这些基本见解将推动能够最佳地利用贵金属和关键矿物含量的高性能催化剂的设计。”

利用对铱的新认识，该团队设计出了一种仅使用次晶质结构的催化剂，其在首次活性测量中的效率比其他铱基催化剂高出三到四倍。

塞茨说：“我们的发展将有助于我们更接近可持续能源的未来，通过水电解生产绿色氢气将成为现实，而且这些新兴技术的广泛应用在技术和经济上更加可行。”