從水中制備清潔氫氣常被比作將可再生能源以化學形式儲存起來，但提升這一過程的效率仍然是一個科學難題。東北大學的研究人員近日開發(fā)出一種新的催化劑設計，使氫氣在堿性條件下能夠更順暢地生成，這是實現(xiàn)實用化綠色制氫的重要一步。

堿性水電解制氫依賴于析氫反應（HER）。在陰離子交換膜水電解（AEMWE）中，該反應包含兩個緊密耦合的步驟：水分子解離與氫氣生成。任何一個步驟變慢，整體性能都會受到影響。

許多現(xiàn)有催化劑只能改善其中一個步驟。單一環(huán)節(jié)的效率提升往往不足，甚至可能對整體輸出產(chǎn)生不利影響。這就像一條流水線，其中一名工人加快了速度，但下一道工序卻跟不上。為了解決這種不平衡問題，研究團隊選擇同時協(xié)調(diào)這兩個步驟。

研究人員提出了一種輔助驅(qū)動（auxiliary-driving）策略，將釕（Ru）與二氧化釩（VO?）相結(jié)合。通過在Ru活性位點周圍引入VO?，該催化劑能夠連續(xù)優(yōu)化水解離步驟（Volmer步）與氫生成步驟（Heyrovsky步）。

在Ru與VO?的界面處，V–O–Ru共軛π鍵的形成可動態(tài)調(diào)控活性位點的電子結(jié)構(gòu)，從而促進更快的水分子解離。同時，可逆的氫溢流（hydrogen spillover）過程有助于調(diào)節(jié)氫的吸附行為，使催化劑更接近微觀動力學模型所預測的最優(yōu)反應條件。相關研究成果發(fā)表在期刊ACS Catalysis上。

在相同測試條件下，該新型催化劑的析氫活性高于傳統(tǒng)的Ru/C和Pt/C催化劑。在10mA·cm?²電流密度下，其過電位僅為12mV，周轉(zhuǎn)頻率（TOF）達到12.2s?¹，表明其能夠以較低能量損耗實現(xiàn)高效制氫。

研究團隊還在實際運行的AEMWE裝置中對該催化劑進行了評估。通過弛豫時間分布（DRT）分析，他們確認實驗室中觀察到的反應動力學提升，能夠有效轉(zhuǎn)化為器件層面的性能優(yōu)勢。

東北大學先進材料研究所副教授張一舟表示“這一輔助驅(qū)動概念使我們能夠協(xié)調(diào)多個反應步驟，而不是分別對它們進行優(yōu)化，通過對Ru與VO?界面的工程化設計，我們顯著提升了堿性析氫反應的整體動力學。”

更高效、更耐久的電解裝置可以降低制氫所需的電力消耗，并延長系統(tǒng)壽命。降低綠色氫氣成本，將有助于其在鋼鐵生產(chǎn)、化工制造、航運以及大規(guī)模儲能等領域的廣泛應用。

研究人員表示，未來將進一步優(yōu)化界面結(jié)構(gòu)，并探索這種輔助驅(qū)動策略是否可以推廣至其他催化體系。

所有關鍵實驗數(shù)據(jù)和計算數(shù)據(jù)也已上傳至數(shù)字催化平臺（Digital Catalysis Platform），這是目前規(guī)模最大的催化數(shù)據(jù)庫，由Hao Li Lab開發(fā)。

原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.5c08576