第一个纳米级研究限制产生氢燃料效率的反应

从化石燃料过渡到清洁的氢经济将需要更便宜、更有效的方法来使用可再生电力将水分解成氢和氧。

但该过程中的一个关键步骤，即氧析出反应或 OER，已被证明是一个瓶颈。如今，它的效率仅为 75% 左右，用于加速反应的贵金属催化剂，如铂和铱，既稀有又昂贵。

现在，由斯坦福大学和能源部 SLAC 国家加速器实验室的科学家领导的国际团队开发了一套先进的工具，以突破这一瓶颈并改进其他与能源相关的过程，例如寻找使锂离子电池充电的方法快点。研究小组今天在《自然》杂志上描述了他们的工作。

在斯坦福大学、SLAC、美国能源部的劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)和英国华威大学工作，他们能够放大单个催化剂纳米粒子——形状像小板，比红细胞小约 200 倍——并观察它们加速定制电化学电池内氧气的产生，包括一个可以放入一滴水中的电池。

他们发现大部分催化活性发生在粒子的边缘，当他们调高电压以驱动反应时，他们能够以十亿分之一米的规模观察到粒子与周围电解质之间的化学相互作用.

通过将他们的观察结果与之前与 SLAC 和斯坦福的 SUNCAT 界面科学与催化研究所合作进行的计算工作相结合，他们能够确定反应中限制反应速度的单个步骤。

“这套方法可以告诉我们这些电催化材料在实际操作条件下的工作地点、内容和原因，”斯坦福大学和 SLAC 斯坦福材料与能源科学研究所 (SIMES) 的科学家 Tyler Mefford 说。领导了这项研究。“现在我们已经概述了如何使用这个平台，应用程序非常广泛。”

扩大氢经济

使用电将水分解成氧气和氢气的想法可以追溯到 1800 年，当时两名英国研究人员发现他们可以使用亚历山德罗·沃尔特新发明的堆电池产生的电流来为反应提供动力。

这个过程称为电解，它的工作原理很像电池的反向工作：它不是发电，而是利用电流将水分解成氢气和氧气。产生氢气和氧气的反应发生在使用不同贵金属催化剂的不同电极上。

氢气是生产氨和炼钢的重要化学原料，越来越多地成为重型运输和长期储能的清洁燃料。但今天生产的氢气中有超过 95% 来自天然气，通过反应排放二氧化碳作为副产品。通过太阳能、风能和其他可持续能源发电驱动的水电解产生氢气将显着减少许多重要行业的碳排放。

但是，要从水中大规模生产氢燃料以推动绿色经济，科学家们必须使水分解反应的另一半——产生氧气的反应——更加高效，并找到制造它的方法使用基于比今天使用的更便宜和更丰富的金属的催化剂。

“世界上没有足够的贵金属以我们需要的规模为这种反应提供动力，”梅福德说，“而且它们的成本如此之高，以至于它们产生的氢气永远无法与来自化石燃料的氢气竞争。”

改进这一过程将需要更好地了解水分解催化剂的运作方式，其细节足以让科学家预测可以采取哪些措施来改进它们。到目前为止，进行这些观察的许多最佳技术在电催化反应器的液体环境中都不起作用。

在这项研究中，科学家们发现了几种绕过这些限制并获得比以往更清晰的图像的方法。

监视催化剂的新方法

他们选择研究的催化剂是羟基氧化钴，它以扁平的六面晶体形式出现，称为纳米片。边缘锋利且极薄，因此很容易区分反应发生在边缘还是平面上。

大约十年前，华威大学的 Patrick Unwin 研究小组发明了一种新技术，可以将微型电化学电池放入从移液管尖端突出的纳米级液滴中。当液滴与表面接触时，该设备会以非常高的分辨率对表面的形貌以及电子和离子电流进行成像。

在这项研究中，Unwin 的团队改造了这个微型装置，使其在析氧反应的化学环境中工作。随着反应的发生，博士后研究人员 Minkyung Kang 和 Cameron Bentley 将它从一个地方移动到另一个地方，穿过单个催化剂颗粒的表面。

“我们的技术使我们能够放大研究极小的反应区域，”在那里领导实验的康说。“我们正在研究比典型技术小一亿倍以上的氧气生成。”

他们发现，与催化材料的情况一样，只有边缘在积极促进反应，这表明未来的催化剂应该最大限度地发挥这种尖锐、薄的特征。

与此同时，斯坦福大学和 SIMES 研究员 Andrew Akbashev 使用电化学原子力显微镜来确定和可视化催化剂在操作过程中如何改变形状和尺寸，并发现最初将催化剂变为活性状态的反应与之前假设的有很大不同.不是质子离开催化剂开始活化，氢氧根离子首先将自己插入催化剂中，在颗粒内部形成水，使其膨胀。随着激活过程的进行，这些水和残留的质子被驱回。

在第三组实验中，该团队与伯克利实验室高级光源的 David Shapiro 和 Young-Sang Yu 以及华盛顿的一家公司 Hummingbird Scientific 合作开发了一种可以集成到扫描透射 X 射线中的电化学流通池显微镜。这使他们能够在直径小至约 50 纳米的区域中绘制出工作催化剂的氧化状态——一种与催化活性相关的化学状态。

“我们现在可以开始将我们在这项工作中开发的技术应用于其他电化学材料和工艺，”Mefford 说。“我们还想研究其他与能源相关的反应，例如电池电极的快速充电、二氧化碳还原以捕获碳，以及氧气还原，这使我们能够在燃料电池中使用氢气。”