更高效的新型电解水催化剂

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来源：环球科学

人们需要更深入地理解尖晶石氧化物催化水电解的原理，以改善其性能，并进而提升电解过程的效率。日前，由新加坡南洋理工大学（NTU）领导的团队通过辨识影响催化性能的因素，设计出一种性能更好的新型尖晶石氧化物，向氢能源经济又“迈进了一步”。（图片来源：NTU Singapore）

NTU领导的一支科研团队发现了决定尖晶石氧化物（一类低成本催化剂）催化率的关键参数，突破了利用电解水提取氢气的技术瓶颈。

电解水提取氢气的最大难点在于高能耗带来的高成本。因此必须借助催化剂来加速电解过程中的化学反应。

近年来，通常由低成本过渡金属制造的尖晶石氧化物引起了科研人员的关注，这一稳定且廉价的催化剂有望克服电解水能耗高的问题；然而，对其催化机理的不了解却阻碍了人们设计高性能尖晶石氧化物。

如今，来自新加坡南洋理工大学(NTU)的副教授Jason Xu Zhichuan与他的团队取得了两项重要进展。他们从原子层面揭示了尖晶石氧化物加速水电解的机理。基于这一认识，该团队利用机器学习筛选出了催化活性更高的新型尖晶石氧化物，从而提升了电解水的效率。

这些发现使得该团队距离将电解水作为大规模制备氢气的手段又近了一步，同时新加坡能源市场管理局也在重点关注这一制氢途径，并将其作为完成“截至2050年将新加坡峰值碳足迹降低一半”的目标的备选方案之一。这与全球发展趋势吻合，比如欧盟在不久前宣布将氢战略作为达成“欧洲绿色协议——2050气候中立”目标的重要解决方案之一。

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NTU材料科学与工程学院的Xu副教授认为：“为改善尖晶石氧化物的催化性能，我们需要更深入地理解其加速水电解的内在机理。现在，通过辨识影响尖晶石氧化物催化性能的关键参数，我们能够设计出性能更优异的新型尖晶石氧化物，帮助我们实现氢能源经济。”

这项发现发表在《自然·催化》（Nature Catalysis）上。

向氢燃料经济前进

利用风能、太阳能等可再生能源电解水并制取氢气，是生产氢燃料的一种极具吸引力的途径，而氢燃料则非常有潜力替代在发电、运输和燃料加注过程中使用的化石燃料。

包括锂离子电池在内的传统储能设备会随时间逐渐老化并丧失充电能力，而氢气作为能量载体则是一种可行的储能替代方案。

水在电解槽中电解的过程伴有两个主要的化学反应：其中一个产生氢气，另一个产生氧气，通过薄膜可将两种产物隔开。

Xu副教授同时还是NTU能源研究所的一员，他表示，电解水过程主要的瓶颈是在另一侧电极产生氧气的析氧反应。

他接着说道：“析氧反应直接决定了利用电解水制备氢气的设备的效率；然而该反应却相对缓慢，降低了整个能量转化率。因此我们需要类似金属氧化物这样的催化剂来加速这一过程。”

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尽管贵金属氧化物已被证明是最先进的催化剂，能够降低能耗并提升能量转化率，然而它们的稀缺性、高成本和低耐久性却限制了大规模应用。

Xu副教授谈到，尖晶石氧化物具有低成本和存量丰富的优点，通过合理设计其中参数（比如采用过渡金属制造尖晶石氧化物）以提高催化能力，将有望成为贵金属氧化物的替代材料。

该团队基于辨识出的关键参数，利用含有超过300种尖晶石氧化物的数据集训练出了一个机器学习模型，从而可以在数秒内筛选并预测任何一种尖晶石氧化物的效率。

利用这种方法，该团队发现了一种由锰和铝组成、催化活性极高的新型氧化物，且已经过实验检验。

Xu副教授认为：“尽管具备设计高性能催化剂的能力极大地推进了利用电解水制备氢气的技术，但在规模化生产之前还有两个瓶颈亟待突破。首先，我们需要改良碱性电解池中的薄膜使其支持长时间制备氢气。待这一问题解决之后，我们便会配合工程同事并尝试将以上所有的改进整合到工业水平的电解槽。”

翻译：张宇哲

审校：董子晨曦

引进来源：新加坡南洋理工大学

引进链接：https://phys.org/news/2020-08-scientists-catalysts-efficient.html

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