了解銥酸鍶催化劑活性高的原因(圖片來源：俄勒岡州立大學(xué))

科學(xué)家們利用先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)工具，對電化學(xué)催化工藝有了更清晰的認(rèn)識(shí)，而該工藝比利用天然氣制氫更清潔、更具有可持續(xù)性。氫存在于各種各樣的化合物中，最常見的就是其與氧氣結(jié)合制成水，而且其在科學(xué)、工業(yè)和能源相關(guān)的領(lǐng)域也發(fā)揮作用。此外，氫也以碳?xì)浠衔锏男问酱嬖?，如天然氣的主要成分甲烷就由氫和碳?gòu)成。

領(lǐng)導(dǎo)該項(xiàng)研究的化學(xué)工程教授Zhenxing Feng表示：“生產(chǎn)氫對于我們生活的很多方面都很重要，例如汽車燃料電池，制作氨等很多有用的化學(xué)物質(zhì)。此外，還可用于精煉金屬，生產(chǎn)塑料等人造材料以及用于各種用途。”

根據(jù)美國能源部所說，美國主要利用一種蒸汽-甲烷重整技術(shù)從天然氣等甲烷中提取氫氣。該工藝包括將甲烷置于有催化劑的加壓蒸汽中，制造一種能夠產(chǎn)生氫氣、一氧化碳以及少量二氧化碳的反應(yīng)。

下一步是水-氣轉(zhuǎn)化反應(yīng)，其中一氧化碳和蒸汽會(huì)通過不同的催化劑反應(yīng)，制造二氧化碳以及額外的氫氣。最后一步，利用變壓吸附法將二氧化碳和其他雜質(zhì)移除，只留下純氫。

Feng教授表示：“與天然氣重整技術(shù)相比，利用可再生能源發(fā)電分解水制氫的方式更清潔、更具可持續(xù)性。不過，因?yàn)樵摴に囍杏幸粋€(gè)關(guān)鍵的半反應(yīng)析氧反應(yīng)(OER)的高過電位(電化學(xué)反應(yīng)中的真實(shí)電位與理論電位之間的差距)，導(dǎo)致分解水的效率很低。”

半反應(yīng)是氧化還原反應(yīng)中兩個(gè)反應(yīng)中的一部分，其中電子在兩個(gè)反應(yīng)物之間轉(zhuǎn)移，還原指代獲得電子，氧化意味著失去電子。半反應(yīng)的概念通常被用于描述電化學(xué)電池中發(fā)生的事情，而半反應(yīng)通常被用于平衡氧化還原反應(yīng)。過電位是理論電壓和電解反應(yīng)產(chǎn)生所需的真實(shí)電壓之間的差值，其中電解是由電流驅(qū)動(dòng)的化學(xué)反應(yīng)。

Feng教授表示：“電催化劑是通過降低過電位改進(jìn)水分解反應(yīng)的關(guān)鍵，但是研發(fā)高性能的電催化劑絕非易事。主要障礙之一是缺乏關(guān)于電化學(xué)操作過程中電催化劑結(jié)構(gòu)如何演變的信息，了解OER反應(yīng)期間電化學(xué)催化劑結(jié)構(gòu)的化學(xué)演變過程，對于研發(fā)高質(zhì)量的電催化劑材料，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)能源的可持續(xù)性至關(guān)重要。”

Feng教授與合作伙伴利用一套先進(jìn)的表征工具研究最新OER電催化劑銥酸鍶((SrIrO3)在酸性電解質(zhì)中的原子結(jié)構(gòu)演變情況。

Feng教授表示：“我們想要了解在OER反應(yīng)中，銥酸鍶的活性高于普通商用催化劑1000倍的原因。利用阿貢國家實(shí)驗(yàn)室的同步加速器X射線設(shè)備和俄亥俄州立大學(xué)西北納米技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施實(shí)驗(yàn)室的X射線光電子能譜，我們在OER反應(yīng)中，觀察到銥酸鍶的表面化學(xué)性能以及從晶體轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷w的過程。”此類觀察結(jié)果能夠讓大家對銥酸鍶為什么是一種出色的催化劑有了更深入的了解。

Feng教授還補(bǔ)充道，該項(xiàng)研究為如何利用電位促進(jìn)在電化學(xué)界面上形成功能非晶形層提供了見解，還有利于設(shè)計(jì)出更好的催化劑。