一种新的钴钨催化剂可以显著提高水分解的效率，而无需依赖昂贵和稀缺的金属。当其他研究集中在调整催化剂组成和提高分离指标时，由西班牙巴塞罗那ICFO的Pelayo García de Arquer领导的团队设计了一种全新的“类似于千层面”的分层材料，“积极地参与反应的成分”，增加了活性。它也是产生绿色氢的一个有吸引力的替代方案，因为它在工业条件下具有很高的稳定性。

　　Lu Xia(左)，Ranit Ram(中)和Anku Guha(右)在实验室中使用含有新型水分解催化剂的装置

　　使用可再生电力分解水产生“绿色”氢，这是一种清洁的替代品，可以替代通过化石燃料重整获得的“灰色”氢。然而，最先进的工业过程依赖于稀缺的成分，如铱和铂，这是催化发生在另一个电极上的析氧反应的关键，这一直是改进水分解技术的主要瓶颈。化学家们仍在寻找可持续的解决方案来解决这个问题，并正在寻找更丰富的金属，这也可以降低成本。

　　García de Arquer解释说:“我们发现将水和水碎片结合到催化剂结构中……使材料更活跃、更稳定。”为了制造这种材料，研究人员将氧化钴钨浸入碱性浴中，使结构分层，并在催化剂层之间加入水分子和氢氧化物离子。他说:“千层面的分层结构可以容纳氢氧化水网络……增强了它的物理化学性质。”就像把反应中间产物困在催化剂里。

　　水分子与催化剂结构的结合实际上有助于在恶劣的酸性环境中稳定催化剂

　　但水分解的核心存在一个矛盾:它在酸性条件下进行得更有效，但除了昂贵的铱基催化剂外，很少有催化剂能在这种恶劣的环境中存活下来。这意味着工业上大多数电解槽在基本条件下运行，效率受到打击。然而，在新的催化剂中，水碎片保护钴钨金属中心免受高腐蚀性酸性环境的影响，有助于提高系统的效率。

　　英国曼彻斯特城市大学电催化专家劳里·金解释说，到目前为止，“还没有任何有希望的非贵金属催化剂用于析氧反应”。她补充说，至少在可扩展的条件下是这样。“本文确定了一种过渡金属基催化剂，在工业相关的电解槽装置中具有非常有前途的活性和耐用性。事实上，与目前主要基于锰的水电解催化剂相比，钴钨千层面的反应电流密度增加了两倍，这与生产率和能源效率有关。该催化剂在电流密度和电压可与基于氧化铱的商用替代品相媲美的情况下，稳定运行超过600小时。金说:“对于非贵金属催化剂来说，它的电流密度和稳定性确实令人印象深刻。”“这代表着商用电解槽的重大飞跃。”

　　金还强调了钴钨千层面背后“有趣的催化剂设计”。为了证实这种不寻常的催化结构，García de Arquer及其团队进行了一项综合研究，结合了显微镜，光谱学和计算计算。他说:“特别是，原位拉曼光谱有助于评估捕获水的存在，并确认受限反应机制。

　　金说:“分层会引入晶格缺陷，使水捕获和氢氧化物桥接成为可能，从而最终改善反应途径和决定速率的步骤。”来自西班牙加泰罗尼亚化学研究所的Nuria López协调了这项计算工作，他说，实际上，千层面“创造了更多的‘活性位点’，由于受限制的水碎片，使得这种机制可以转换为一种更低能耗的替代品”。她说:“我们用手头所有的东西来表征这些材料，模拟对于理解催化过程至关重要。”

　　英国伦敦帝国理工学院的电化学专家Reshma Rao说:“考虑到最先进的材料依赖于铱等极其稀缺的材料，发现非贵金属催化剂(可以)使绿色氢生产的规模迅速扩大。”她指出:“除了优化催化剂的化学性质外，界面水结构还增加了调节活性和稳定性的额外杠杆。”除了突破性能极限之外，千层面“在很大程度上提高了在酸性电解质中的稳定性，(因为)结构中被困的水保护了钴离子不被溶解”。

　　然而，Rao也承认了一些缺点。虽然钴的储量比铱丰富，但它也是一种关键材料，在可持续性方面也存在挑战。

　　作者对此表示赞同。López解释说:“关键原材料的问题至关重要，(我们)显然需要在任何新技术中改进材料的采购和回收。”该团队现在将研究几种替代品，包括镍、锰和其他金属，评估除钴钨氧化物之外的分层可能性。King补充说，这种千层面的设计可以应用于电催化解决其他紧迫的环境问题，比如将二氧化碳转化为燃料或固定固氮，从而大大降低肥料生产的能源密集型。

　　费尔南多Gomollón贝尔是一位科学作家和传播者

　　出生于英国剑桥。查看完整档案