巴西新型能源創(chuàng)新中心（Center for Innovation on New Energies，CINE）在期刊《Electrochimica Acta》上發(fā)表的一項(xiàng)研究顯示，來自巴西圣保羅州坎皮納斯州立大學(xué)（State University of Campinas）的科研團(tuán)隊(duì)采用了一種簡(jiǎn)便的方法——在材料中引入結(jié)構(gòu)缺陷，成功顯著提升了低成本催化劑的性能。CINE 是由巴西圣保羅研究基金會(huì)（FAPESP）與殼牌（Shell）公司于2018年共同成立的應(yīng)用研究中心，依托單位包括坎皮納斯州立大學(xué)、圣保羅大學(xué)（University of São Paulo）和圣卡洛斯聯(lián)邦大學(xué)（Federal University of São Carlos），并聯(lián)合了巴西另外八家科研機(jī)構(gòu)參與。

目前，利用可再生能源進(jìn)行水分解是實(shí)現(xiàn)最低碳排放制氫的最有效方法。在這一過程中，同時(shí)發(fā)生兩種反應(yīng)，分別產(chǎn)生氧氣和氫氣。

高效的水分解過程依賴于性能優(yōu)良的催化劑，尤其是析氧反應(yīng)（Oxygen Evolution Reaction，OER），該反應(yīng)動(dòng)力學(xué)緩慢，是制約整體效率的關(guān)鍵步驟。目前，催化材料的成本約占最終氫氣生產(chǎn)總成本的20%–30%，因此，開發(fā)高效、低成本的催化劑已成為重要的科學(xué)挑戰(zhàn)。

CINE 團(tuán)隊(duì)選擇了一類被稱為“普魯士藍(lán)類似物”（Prussian Blue Analogues, PBA）的材料作為研究對(duì)象。這類材料由金屬原子和稱為氰基（cyanide）的化學(xué)基團(tuán)構(gòu)成，所含元素在地殼中儲(chǔ)量豐富、成本較低。然而，其催化性能受限于活性位點(diǎn)濃度較低的問題。研究人員采用了一種電化學(xué)方法，在外加電能驅(qū)動(dòng)下誘發(fā)化學(xué)反應(yīng)，從而去除材料中的部分氰基，在晶體結(jié)構(gòu)中引入空位缺陷。項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、坎皮納斯州立大學(xué)化學(xué)研究所（IQ-UNICAMP）教授兼 CINE 研究員Juliano Bonacin表示：“乍一看，這些由空位引入的‘缺陷’似乎是不利因素，但實(shí)際上它們反而帶來了積極效果。材料結(jié)構(gòu)發(fā)生輕微改變，形成了更多有利于關(guān)鍵化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的活性空間。”

隨后，這些經(jīng)“激活”的材料被用作析氧反應(yīng)的催化劑。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，其性能得到了顯著提升：缺陷濃度提高30%的催化劑，析氧量比原始材料提高了32%。此外，研究人員還利用巴西國(guó)家同步輻射光源實(shí)驗(yàn)室（LNLS）的先進(jìn)表征技術(shù)，對(duì)催化劑中的空位缺陷進(jìn)行了深入分析。LNLS隸屬于巴西能源與材料研究中心（CNPEM），相關(guān)研究有助于闡明性能提升背后的作用機(jī)制。

Bonacin指出，本研究開發(fā)的催化劑為低碳?xì)淠艿拇笠?guī)模制備提供了一個(gè)極具潛力的方向，但目前尚未開展實(shí)驗(yàn)室以外的應(yīng)用測(cè)試。他表示：“盡管距離實(shí)際應(yīng)用仍有一定差距，但這些結(jié)果已經(jīng)展示了一條通往更低成本、更可持續(xù)工業(yè)技術(shù)的切實(shí)可行路徑。”

該研究獲得了FAPESP通過七個(gè)項(xiàng)目（14/50867-3、17/50085-3、18/25092-9、18/25207-0、19/00063-9、19/24445-8 和 21/05976-2）的資助，同時(shí)也得到了殼牌公司、巴西國(guó)家科學(xué)與技術(shù)發(fā)展委員會(huì)（CNPq）以及巴西國(guó)家石油、天然氣與生物燃料局（ANP）的支持。

原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0013468625006887?via%3Dihub

（素材來自：巴西新型能源創(chuàng)新中心 全球氫能網(wǎng)、新能源網(wǎng)綜合）