帝國(guó)理工學(xué)院（Imperial College London）的研究人員在綠色氫氣生產(chǎn)關(guān)鍵催化劑方面取得了新的認(rèn)識(shí)，這一發(fā)現(xiàn)有望幫助推動(dòng)綠色氫氣的大規(guī)模應(yīng)用。

綠色氫氣是通過(guò)利用可再生電力電解水產(chǎn)生的，被認(rèn)為是減少工業(yè)排放的核心技術(shù)之一。對(duì)于鋼鐵生產(chǎn)和重型運(yùn)輸?shù)入y以脫碳的行業(yè)來(lái)說(shuō)，綠色氫氣提供了為數(shù)不多的可行脫碳路徑。

質(zhì)子交換膜（PEM）電解槽是目前生產(chǎn)綠色氫氣的主要技術(shù)之一。在這一系統(tǒng)中，關(guān)鍵步驟是析氧反應(yīng)（Oxygen Evolution Reaction，OER），該反應(yīng)需要在強(qiáng)酸性環(huán)境下進(jìn)行。也就是說(shuō)，在電解槽的陽(yáng)極，水分子被分解生成氧氣。然而，這一步長(zhǎng)期以來(lái)一直是綠色氫氣生產(chǎn)的效率瓶頸。

氧化銥（Iridium oxide）是極少數(shù)能夠在這種強(qiáng)酸環(huán)境下同時(shí)保持高活性和高穩(wěn)定性的材料之一。但銥是地球上最稀有的元素之一，其全球供應(yīng)量有限，被認(rèn)為是制約氫能規(guī)?；l(fā)展的重要障礙。

帝國(guó)理工學(xué)院材料系講師 Reshma Rao 博士 表示：“沒(méi)有任何一種技術(shù)能夠講述完整的故事。通過(guò)結(jié)合多種互補(bǔ)的實(shí)驗(yàn)方法，我們得以更清晰地揭示這一復(fù)雜催化界面的真實(shí)工作機(jī)制?！?/p>

如果要將綠色氫氣生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大到太瓦級(jí)（terawatt level），就必須更高效地利用銥，甚至最終完全替代銥。而要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，就需要理解當(dāng)前最先進(jìn)催化劑在實(shí)際運(yùn)行時(shí)的原子尺度工作機(jī)制，而這一點(diǎn)此前一直不夠清楚。

在發(fā)表于《Nature Materials》的一項(xiàng)研究中，來(lái)自帝國(guó)理工學(xué)院、曼徹斯特大學(xué)、牛津大學(xué)、哥本哈根大學(xué)以及英國(guó) Diamond Light Source 同步輻射設(shè)施的研究團(tuán)隊(duì)，在真實(shí)運(yùn)行條件下實(shí)時(shí)觀察催化劑，揭示了氧氣生成過(guò)程中催化劑表面發(fā)生的變化。

通過(guò)識(shí)別真正驅(qū)動(dòng)反應(yīng)的化學(xué)狀態(tài)，該研究為設(shè)計(jì)更高效、更耐用的催化材料奠定了基礎(chǔ)，這些材料可以更高效地利用銥，甚至在未來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)銥的替代。

該研究負(fù)責(zé)人、帝國(guó)理工學(xué)院材料系 Reshma Rao 博士表示：“通過(guò)結(jié)合多種實(shí)驗(yàn)技術(shù)，我們能夠更清晰地看到這一復(fù)雜催化界面在反應(yīng)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)變化?！?/p>

研究團(tuán)隊(duì)利用帝國(guó)理工學(xué)院 Royce 研究設(shè)施的設(shè)備，結(jié)合光譜學(xué)、X射線(xiàn)技術(shù)以及電化學(xué)質(zhì)譜技術(shù)，追蹤催化劑在反應(yīng)過(guò)程中的變化，并將材料化學(xué)狀態(tài)的變化與氧氣生成直接聯(lián)系起來(lái)。

研究人員發(fā)現(xiàn)，不僅僅是銥金屬中心在起作用。催化劑表面的氧原子會(huì)形成高度活性的物種，并直接參與反應(yīng)過(guò)程。通過(guò)將這些活性物種的壽命與反應(yīng)速率進(jìn)行關(guān)聯(lián)，研究團(tuán)隊(duì)成功確定了真正驅(qū)動(dòng)析氧反應(yīng)的關(guān)鍵因素。

帝國(guó)理工學(xué)院材料系電化學(xué)教授 Ifan Stephens 補(bǔ)充說(shuō)：“雖然 Caiwu 和 Reshma 主導(dǎo)了這項(xiàng)研究，但這也是帝國(guó)理工學(xué)院、Diamond 光源和曼徹斯特大學(xué)之間的團(tuán)隊(duì)合作成果，這項(xiàng)工作屬于我們由bp-ICAM 項(xiàng)目資助的綠色氫氣催化研究。我們從這一模型催化劑中獲得的見(jiàn)解，對(duì)理解工業(yè)中使用的氧化銥催化劑非常重要。”

該研究主要由 bp-International Centre for Advanced Materials（bp-ICAM） 資助，這是一個(gè)支持學(xué)術(shù)界與工業(yè)界合作研究的項(xiàng)目。

bp-ICAM 副主任 Mandar Thakare 表示：“ICAM92 團(tuán)隊(duì)通過(guò)結(jié)合原位（operando）表征技術(shù)，研究了 PEM 電解中氧化銥等催化劑的活性。這些研究成果有助于優(yōu)化其運(yùn)行性能?！?/p>

通過(guò)闡明氧化銥在真實(shí)運(yùn)行條件下的行為，這項(xiàng)研究使該領(lǐng)域的研發(fā)從傳統(tǒng)的試錯(cuò)式開(kāi)發(fā)邁向機(jī)制驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)。對(duì)催化劑表面活性狀態(tài)的深入理解，將有助于科學(xué)家提出新的設(shè)計(jì)原則，從而開(kāi)發(fā)出更高性能的綠色氫氣生產(chǎn)材料。

帝國(guó)理工學(xué)院材料系研究員 梁財(cái)武（Caiwu Liang）博士表示：“能夠在帝國(guó)理工學(xué)院材料系和 Diamond Light Source 等世界一流科研設(shè)施中，從事電化學(xué)、光譜學(xué)和理論研究的前沿工作，是我在帝國(guó)理工研究期間最令人振奮和收獲最大的經(jīng)歷?！?/p>

隨著全球?qū)G色氫氣需求的不斷增長(zhǎng)，深入理解關(guān)鍵材料在運(yùn)行過(guò)程中的行為將變得至關(guān)重要。研究團(tuán)隊(duì)希望，這項(xiàng)研究能夠推動(dòng)下一代電解槽技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)更可持續(xù)、更大規(guī)模的氫氣生產(chǎn)。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41563-026-02514-9

（素材來(lái)自：帝國(guó)理工學(xué)院 全球氫能網(wǎng)、新能源網(wǎng)綜合）