根據俄勒岡州立大學工程學院以及康奈爾大學和阿貢國家實驗室的研究人員一項新研究，從水中高效批量生產氫即將成為現實。

科學家們利用先進的實驗工具，對電化學催化過程有了更清晰的認識，這種過程比從天然氣中提取氫氣更清潔、更可持續。研究結果發表在的《科學進展》雜志上。

氫存在于地球上各種各樣的化合物中，最常見的是與氧結合生成水，它在科學、工業和能源方面發揮著許多作用。它也以碳氫化合物的形式存在，這是由氫和碳組成的化合物，如天然氣的主要成分甲烷。

領導這項研究的俄勒岡州立大學化學工程教授Zhenxing Feng說：“氫的生產對我們生活的許多方面都很重要，比如汽車的燃料電池和許多有用的化學物質的制造，比如氨。”“它還被用于金屬精煉，生產塑料等人造材料，以及一系列其它用途。”

根據美國能源部的說法，美國通過一種被稱為蒸汽－甲烷重整的技術，從甲烷來源（如天然氣）中生產大部分氫氣。該過程包括將甲烷置于有催化劑的加壓蒸汽中，產生氫氣、一氧化碳以及少量二氧化碳的反應。

下一步是水氣轉換反應，一氧化碳和蒸汽通過不同的催化劑反應，產生二氧化碳和額外的氫氣。在最后一步，變壓吸附，二氧化碳和其它雜質被除去，留下純氫。

Feng教授說：“與天然氣重整相比，利用可再生能源發電來分解水制氫更清潔、更可持續。”“然而，分解的效率很低，主要是由于過程中一個關鍵的半反應，即析氧反應（OER）的高過電位（電化學反應的實際電勢和理論電勢之間的差值）。”

半反應是氧化還原或還原－氧化反應的兩個部分之一，其中電子在兩個反應物之間轉移；還原是得到電子，氧化是失去電子。

半反應的概念經常被用來描述電化學電池中發生的事情，而半反應通常被用來平衡氧化還原反應。過電位是理論電壓和產生電解所需的實際電壓之間的界限，電解是由電流驅動的化學反應。

“電催化劑是通過降低過電位來促進水分解反應的關鍵，但開發高性能的電催化劑遠非易事。”Feng說，“主要的障礙之一是缺乏關于電化學操作過程中電催化劑結構演變的信息。了解OER期間電催化劑的結構和化學演變，對于開發高質量的電催化劑材料以及能源的可持續性至關重要。”

Feng和合作者使用了一套先進的表征工具來研究最先進的OER電催化劑，銥酸鍶（SrIrO3）在酸性電解質中的原子結構演變。

Feng說：“我們想了解它的活性是普通商業催化劑氧化銥的1000多倍，創歷史新高的原因。”

“利用阿貢同步加速器x射線設備和OSU西北納米技術基礎設施的實驗室x射線光電子能譜，我們在OER期間觀察了SrIrO3的表面化學反應和晶體到非晶態的轉變。”

這些觀察使人們對銥酸鍶能夠如此出色地充當催化劑的原因有了更深的理解。

他說：“我們詳細的、原子尺度的發現解釋了活性銥鍶層是如何在銥鍶上形成的，并指出了晶格氧活化和耦合離子擴散對活性OER單元形成的關鍵作用。”

Feng補充說，這項工作為應用電勢如何在電化學界面促進功能非晶層的形成提供了洞見，并為設計更好的催化劑提供了可能性。

來源：前瞻產業研究院