用廉价的替代材料取代用于制氢的电催化剂

今天，我们可以毫无疑问地说，需要一种化石燃料的替代品。化石燃料不仅是不可再生能源，也是导致全球变暖和空气污染的主要原因之一。因此，全世界的许多科学家都将希望寄托在他们认为的未来燃料上：氢气 (H2)。尽管 H2 是一种能量密度极高的清洁燃料，但有效地产生大量氢气仍然是一项艰巨的技术挑战。

水分解——水分子的断裂——是最受探索的生产氢气的方法之一。虽然有很多方法可以解决这个问题，但性能最好的水分解技术涉及由昂贵金属制成的电催化剂，例如铂、钌和铱。问题在于，由丰富金属制成的已知电催化剂在析氧反应(OER)中相当无效，这是水分解过程中最具挑战性的方面。

在最近发表在ACS Applied Energy Materials上的一项研究中，日本东京工业大学的一组科学家发现了一种具有成本效益的水分解的卓越电催化剂候选物：氧化铁钙 (CaFe2O4)。虽然铁 (Fe) 氧化物在 OER 中表现一般，但之前的研究指出，将其与其他金属结合可以将其性能提高到实际有用的水平。然而，正如助理教授兼主要作者 Yuuki Sugawara 博士所评论的那样，没有人将 CaFe2O4 视为一种潜在的 OER 电催化剂。“我们希望揭示 CaFe2O4 的潜力，并通过与其他铁基双金属氧化物的比较来阐明促进其 OER 活性的关键因素，”他解释说。

为此，该团队测试了包括CaFe2O4在内的六种铁基氧化物。他们很快发现，CaFe2O4 的 OER 性能远高于其他双金属电催化剂，甚至高于广泛接受的基准氧化铱。此外，他们测试了这种有前途的材料的耐用性，发现它非常稳定。在测量循环后没有观察到显着的结构和成分变化，并且电化学电池中 CaFe2O4 电极的性能仍然很高。

为了了解这种未经探索的电催化剂的卓越性能背后的原因，科学家们使用密度泛函理论进行了计算，并发现了一种非常规的催化机制。CaFe2O4 似乎为氧键的形成提供了一种能量上有利的途径，这是 OER 中的一个限制步骤。虽然需要更多的理论计算和实验才能确定，但​​结果表明多个铁位点之间的距离很近起着关键作用。

新发现的 OER 电催化剂肯定会改变游戏规则，正如 Sugawara 博士所说，“CaFe2O4 具有许多优势，从易于合成且具有成本效益到环境友好。我们预计它将成为用于水分解的有前途的 OER 电催化剂，并且它将为能源转换装置的发展开辟一条新途径。”此外，在 CaFe2O4 中发现的新的 OER 促进机制可能会导致其他有用催化剂的工程化。让我们希望这些发现有助于为未来急需的氢能社会铺平道路!