催化劑中的‘缺陷’提升綠色制氫性能

巴西新型能源創新中心（Center for Innovation on New Energies，CINE）在期刊《Electrochimica Acta》上發表的一項研究顯示，來自巴西圣保羅州坎皮納斯州立大學（State University of Campinas）的科研團隊采用了一種簡便的方法——在材料中引入結構缺陷，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（FAPESP）與殼牌（Shell）公司于2018年共同成立的應用研究中心，依托單位包括坎皮納斯州立大學、圣保羅大學（University of S?o Paulo）和圣卡洛斯聯邦大學（Federal University of S?o Carlos），并聯合了巴西另外八家科研機構參與。

目前，利用可再生能源進行水分解是實現最低碳排放制氫的最有效方法。在這一過程中，同時發生兩種反應，分別產生氧氣和氫氣。

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

CINE 團隊選擇了一類被稱為“普魯士藍類似物”（Prussian Blue Analogues, PBA）的材料作為研究對象。這類材料由金屬原子和稱為氰基（cyanide）的化學基團構成，所含元素在地殼中儲量豐富、成本較低。然而，其催化性能受限于活性位點濃度較低的問題。研究人員采用了一種電化學方法，在外加電能驅動下誘發化學反應，從而去除材料中的部分氰基，在晶體結構中引入空位缺陷。項目負責人、坎皮納斯州立大學化學研究所（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，但實際上它們反而帶來了積極效果。材料結構發生輕微改變，形成了更多有利于關鍵化學反應發生的活性空間。”

隨后，這些經“激活”的材料被用作析氧反應的催化劑。實驗結果顯示，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家同步輻射光源實驗室（LNLS）的先進表征技術，對催化劑中的空位缺陷進行了深入分析。LNLS隸屬于巴西能源與材料研究中心（CNPEM），相關研究有助于闡明性能提升背后的作用機制。

Bonacin指出，本研究開發的催化劑為低碳氫能的大規模制備提供了一個極具潛力的方向，但目前尚未開展實驗室以外的應用測試。他表示：“盡管距離實際應用仍有一定差距，但這些結果已經展示了一條通往更低成本、更可持續工業技術的切實可行路徑。”

該研究獲得了FAPESP通過七個項目（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，同時也得到了殼牌公司、巴西國家科學與技術發展委員會（CNPq）以及巴西國家石油、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：巴西新型能源創新中心 全球氫能網、新能源網綜合）