巴西新型能源創(chuàng)新中心（Center for Innovation on New Energies，CINE）在期刊《Electrochimica Acta》上發(fā)表的一項研究顯示，來自巴西圣保羅州坎皮納斯州立大學（State University of Campinas）的科研團隊采用了一種簡便的方法——在材料中引入結構缺陷，成功顯著提升了低成本催化劑的性能。CINE 是由巴西圣保羅研究基金會（FAPESP）與殼牌（Shell）公司于2018年共同成立的應用研究中心，依托單位包括坎皮納斯州立大學、圣保羅大學（University of S?o Paulo）和圣卡洛斯聯(lián)邦大學（Federal University of S?o Carlos），并聯(lián)合了巴西另外八家科研機構參與。

目前，利用可再生能源進行水分解是實現最低碳排放制氫的最有效方法。在這一過程中，同時發(fā)生兩種反應，分別產生氧氣和氫氣。

高效的水分解過程依賴于性能優(yōu)良的催化劑，尤其是析氧反應（Oxygen Evolution Reaction，OER），該反應動力學緩慢，是制約整體效率的關鍵步驟。目前，催化材料的成本約占最終氫氣生產總成本的20%–30%，因此，開發(fā)高效、低成本的催化劑已成為重要的科學挑戰(zhàn)。

CINE 團隊選擇了一類被稱為“普魯士藍類似物”（Prussian Blue Analogues, PBA）的材料作為研究對象。這類材料由金屬原子和稱為氰基（cyanide）的化學基團構成，所含元素在地殼中儲量豐富、成本較低。然而，其催化性能受限于活性位點濃度較低的問題。研究人員采用了一種電化學方法，在外加電能驅動下誘發(fā)化學反應，從而去除材料中的部分氰基，在晶體結構中引入空位缺陷。項目負責人、坎皮納斯州立大學化學研究所（IQ-UNICAMP）教授兼 CINE 研究員Juliano Bonacin表示：“乍一看，這些由空位引入的‘缺陷’似乎是不利因素，但實際上它們反而帶來了積極效果。材料結構發(fā)生輕微改變，形成了更多有利于關鍵化學反應發(fā)生的活性空間?！?/p>

隨后，這些經“激活”的材料被用作析氧反應的催化劑。實驗結果顯示，其性能得到了顯著提升：缺陷濃度提高30%的催化劑，析氧量比原始材料提高了32%。此外，研究人員還利用巴西國家同步輻射光源實驗室（LNLS）的先進表征技術，對催化劑中的空位缺陷進行了深入分析。LNLS隸屬于巴西能源與材料研究中心（CNPEM），相關研究有助于闡明性能提升背后的作用機制。

Bonacin指出，本研究開發(fā)的催化劑為低碳氫能的大規(guī)模制備提供了一個極具潛力的方向，但目前尚未開展實驗室以外的應用測試。他表示：“盡管距離實際應用仍有一定差距，但這些結果已經展示了一條通往更低成本、更可持續(xù)工業(yè)技術的切實可行路徑?！?/p>

該研究獲得了FAPESP通過七個項目（14/50867-3、17/50085-3、18/25092-9、18/25207-0、19/00063-9、19/24445-8 和 21/05976-2）的資助，同時也得到了殼牌公司、巴西國家科學與技術發(fā)展委員會（CNPq）以及巴西國家石油、天然氣與生物燃料局（ANP）的支持。

原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0013468625006887?via%3Dihub

（素材來自：巴西新型能源創(chuàng)新中心 全球氫能網、新能源網綜合）