加错试剂却迎来重大突破：创造电解水制氢催化剂新纪录
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2024-09-19
一款新型催化材料被浸在碱性水中，表面持续不断地产生气泡，在高安培电流密度下，它已经稳定运行超过19000小时。这意味着，经过两年以上的连续运行，这个小小方块毫无衰退的迹象。
这是阴离子交换膜电解水制氢（AEM-WE）的实验现场。之前，AEM-WE技术因氧气析出反应（OER）催化剂在高电流密度下难以持久而未能实现商业化。然而，西湖大学人工光合作用与太阳能燃料中心（CAP）在这一材料上获得重大突破。经过长期的探索和一次意外的实验，他们神奇地解决了这一难题，仿佛得到了天赐的助力。
最近，西湖大学孙立成教授团队在Nature Catalysis（《自然·催化》）上发表了他们的研究成果。他们开发了一种新的催化剂制备技术，该技术基于非均匀形核液相体系，即向溶液中人为引入不溶纳米颗粒，并在常温、常压条件下通过简单的浸泡法，一步合成非贵金属催化剂——CAPist-L1。
氢气无疑是清洁、高效、可持续的能源，其燃烧过程中只产生水，并且所释放的热量是天然气的2.56倍，更是普通汽油的2.95倍。
氢元素广泛存在于自然界中，通常以水的形式存在，而光合作用就具有将水分子"分解"的神奇能力。
孙立成教授的团队在过去二十多年里，一直致力于研究并模仿自然界的这种分解能力，他们在光合作用和清洁能源领域取得了一系列重大进展。例如，他们开发了Ru-bda这种新型催化剂，并揭示了光合作用中"椅子魔术"的关键环节。
电解水制氢实验室一角
学过初中化学都知道，通过电解水可以分离出氢气和氧气。但这个过程如果没有催化剂的辅助，将消耗大量的电能，从经济角度来看并不可行。
目前，低温电解水制绿色氢气技术主要分为：碱性电解槽电解水制氢（AWE）、质子交换膜电解水制氢（PEM-WE）、阴离子交换膜电解水制氢（AEM-WE）。
其中，AEM-WE融合了前两种技术的优势，被广泛看好。简单来说，AEM-WE系统通过阴离子交换膜将氧气和氢气的产生区域分隔开，在阳极催化剂的作用下产生氧气，而在阴极催化剂的作用下产生氢气。然而，阳极侧OER催化剂在高电流密度下难以保持高活性和稳定性。而根据化学反应的守恒定律，每两份氢气的形成必然伴随着一份氧气的生成。因此，阳极催化剂的催化效率成为了制约AEM-WE技术发展的关键因素。
电解水实验装置（CAP）
而一次"错误"却带来的神奇的突破。孙立成介绍，在一次实验中，团队成员在制备镍铁基的OER催化剂时，误将乙醇（酒精）用作溶剂，却意外地发现这种在泡沫镍上生长的催化剂展现出了卓越的OER性能。在电镜视角下，这种催化剂酷似层层花瓣叠加的花朵，因此被赋予了"绣球花"这一美丽的名字。
CAPist-L1催化剂的“绣球花”结构
基于“绣球花”良好的催化表现，研究团队研究团队立即从理论角度进行了探究，并逐步完善了制备方案，开发出了一种基于非均匀形核液相体系的催化剂制备技术。在催化机理的研究上，通过对CAPist-L1的组成、结构和形态进行详尽分析，研究团队发现了催化层与金属基底之间存在一层致密的过渡层。正是这层致密的过渡层有效地将催化层锚定在金属基底上，增强了催化剂的活性和耐久性。
CAPist-L1，材料呈现多孔的透气结构
值得期待的是，CAPist-L1因其制备工艺的简便性、成本的低廉性、高可重复性、易于规模化生产以及超高的OER活性和稳定性，展现出了巨大的工业化应用前景。
前衍可提供产品
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7720-78-7 硫酸亚铁 |
64-17-5 乙醇 |
67-63-0 异丙醇 |