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加錯試劑卻迎重大突破，我國科學家創造電解水制氫催化劑新紀錄
西湖大學網站8月19日消息，近日，西湖大學孫立成教授團隊在Nature Catalysis上發表了研究文章。他們開發了一種基于非均勻形核液相體系的催化劑制備工藝，即向溶液中人為引入不溶納米顆粒，在常溫、常壓條件下通過簡單浸泡法，一步合成非貴金屬催化劑——CAPist-L1。
一款新型催化材料被浸在堿性水中，表面源源不斷地產生氣泡，它已經在安培級電流密度下穩定工作了19000小時。也就是說，兩年多時間過去了，這個小小方塊毫無衰退的跡象。
這是陰離子交換膜電解水制氫（AEM-WE）的實驗現場。此前，AEM-WE技術受制于氧氣析出反應（OER）催化劑難以在大電流密度下維持太久的難題，一直沒有實現工業化。西湖大學人工光合作用與太陽能燃料中心（CAP）在這一材料上獲得重大突破。經年累月的探索之后，實驗中的一次意外，神奇地完成了“助攻”，成了上天眷顧的“臨門一腳”。
催化劑測試裝置有點像是夏日雪碧。西湖大學
CAPist-L1因制備工藝簡單、成本低廉、可重復度高、易放大化制備且具備超高OER活性和穩定性，展現出優良的工業化應用前景。
文章截圖
一次錯誤引發的突破
氫氣，無疑是清潔、高效、可持續的能源。它的燃燒，只產生水，而且氫氣燃燒產生的熱量是天然氣的2.56倍，是普通汽油的2.95倍。
氫原子無處不在，它只是被“束縛”在水中。自然界的光合作用就有把水“拆開”的魔力。
CAPist-L1，材料呈現多孔的透氣結構
而孫立成團隊二十多年來研究并模仿這種能力，在光合作用以及清潔能源的研究上實現了諸多突破。
孫立成教授
如Ru-bda新型催化劑的開發，解密光合作用“椅子魔術”的關鍵一環等等。
電解水制氫實驗室一角
學過初中化學都知道，電解水可以產生氫氣和氧氣，但這個過程需要催化劑，否則會耗費極大的電能，根本不劃算。
目前，低溫電解水制綠色氫氣技術主要分為：堿性電解槽電解水制氫（AWE）、質子交換膜電解水制氫（PEM-WE）、陰離子交換膜電解水制氫（AEM-WE）。
其中，AEM-WE集合了前兩者的優點被寄予厚望。
通俗講，AEM-WE系統由陰離子交換膜隔開，讓氧氣和氫氣在不同的電極處產生，陽極催化劑那一側產生氧氣，陰極催化劑那一側則產生氫氣。
但是，陽極側OER催化劑卻難以在大電流密度條件下維持高活性和高穩定性。
而化學反應必須守恒，假設水變成兩份氫氣的話，同時也會生成一份氧氣，所以，陽極催化劑的催化效率問題就限制了AEM-WE的發展。
而一次"錯誤"卻帶來的神奇的突破。
電解水實驗裝置（CAP）
2022年4月，彼時在CAP做博士后的李志恒在一次利用浸泡法制備鎳鐵基OER催化劑時不小心把乙醇（酒精）當作去離子水使用，結果發現在泡沫鎳上長出來的催化劑OER性能居然非常不錯，李志恒詫異之下他聞了聞加錯的試劑，心想：我沒喝酒，肯定是你“喝酒”了。
他們把樣品拿到電鏡下，發現這種催化劑如同花朵一樣層層疊疊，孫立成教授當時就給它取名為“繡球花”。
CAPist-L1催化劑的“繡球花”結構
孫立成教授憑借經驗判斷，這種層疊結構很可能有不錯的催化穩定性。
但為什么會這樣？
這讓李志恒非常困惑。
此時，另外一位博士后林高鑫加入，一起進行理論層面的探索。
通過查找文獻知道，催化劑的原料之一硫酸亞鐵溶于水，但卻幾乎不溶于乙醇。
研究團隊猜測，正是這種難溶特性造成了硫酸鹽在乙醇和水混合溶液中的析出，形成了含納米級不溶顆粒物的非均勻形核液相體系，這為催化劑晶體的生長提供了最初的“核”。
其實，大自然深諳這個過程，例如雨、雪、冰雹等的形成，也需要諸如灰塵作為相變所需的“核”。
非均勻形核液相體系如何在泡沫鎳基底上“生長”出催化劑
接下來的工作是優化制備方案，并在機制上進一步探明。
- 原標題：加錯試劑卻迎來重大突破｜西湖大學創造電解水制氫催化劑新紀錄
- 責任編輯: 林鈴錦
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