人們(men) 需要更深入地理解尖晶石氧化物催化水電解的原理，以改善其性能，並進而提升電解過程的效率。日前，由新加坡南洋理工大學（NTU）領導的團隊通過辨識影響催化性能的因素，設計出一種性能更好的新型尖晶石氧化物，向氫能源經濟又“邁進了一步”。（圖片來源：NTU Singapore）

NTU領導的一支科研團隊發現了決(jue) 定尖晶石氧化物（一類低成本催化劑）催化率的關(guan) 鍵參數，突破了利用電解水提取氫氣的技術瓶頸。

電解水提取氫氣的最大難點在於(yu) 高能耗帶來的高成本。因此必須借助催化劑來加速電解過程中的化學反應。

近年來，通常由低成本過渡金屬製造的尖晶石氧化物引起了科研人員的關(guan) 注，這一穩定且廉價(jia) 的催化劑有望克服電解水能耗高的問題；然而，對其催化機理的不了解卻阻礙了人們(men) 設計高性能尖晶石氧化物。

如今，來自新加坡南洋理工大學(NTU)的副教授Jason Xu Zhichuan與(yu) 他的團隊取得了兩(liang) 項重要進展。他們(men) 從(cong) 原子層麵揭示了尖晶石氧化物加速水電解的機理。基於(yu) 這一認識，該團隊利用機器學習(xi) 篩選出了催化活性更高的新型尖晶石氧化物，從(cong) 而提升了電解水的效率。

這些發現使得該團隊距離將電解水作為(wei) 大規模製備氫氣的手段又近了一步，同時新加坡能源市場管理局也在重點關(guan) 注這一製氫途徑，並將其作為(wei) 完成“截至2050年將新加坡峰值碳足跡降低一半”的目標的備選方案之一。這與(yu) 全球發展趨勢吻合，比如歐盟在不久前宣布將氫戰略作為(wei) 達成“歐洲綠色協議——2050氣候中立”目標的重要解決(jue) 方案之一。

圖片來源：Pixabay

NTU材料科學與(yu) 工程學院的Xu副教授認為(wei) ：“為(wei) 改善尖晶石氧化物的催化性能，我們(men) 需要更深入地理解其加速水電解的內(nei) 在機理。現在，通過辨識影響尖晶石氧化物催化性能的關(guan) 鍵參數，我們(men) 能夠設計出性能更優(you) 異的新型尖晶石氧化物，幫助我們(men) 實現氫能源經濟。”

這項發現發表在《自然·催化》（Nature Catalysis）上。

向氫燃料經濟前進

利用風能、太陽能等可再生能源電解水並製取氫氣，是生產(chan) 氫燃料的一種極具吸引力的途徑，而氫燃料則非常有潛力替代在發電、運輸和燃料加注過程中使用的化石燃料。

包括鋰離子電池在內(nei) 的傳(chuan) 統儲(chu) 能設備會(hui) 隨時間逐漸老化並喪(sang) 失充電能力，而氫氣作為(wei) 能量載體(ti) 則是一種可行的儲(chu) 能替代方案。

水在電解槽中電解的過程伴有兩(liang) 個(ge) 主要的化學反應：其中一個(ge) 產(chan) 生氫氣，另一個(ge) 產(chan) 生氧氣，通過薄膜可將兩(liang) 種產(chan) 物隔開。

Xu副教授同時還是NTU能源研究所的一員，他表示，電解水過程主要的瓶頸是在另一側(ce) 電極產(chan) 生氧氣的析氧反應。

他接著說道：“析氧反應直接決(jue) 定了利用電解水製備氫氣的設備的效率；然而該反應卻相對緩慢，降低了整個(ge) 能量轉化率。因此我們(men) 需要類似金屬氧化物這樣的催化劑來加速這一過程。”

圖片來源：Pixabay

盡管貴金屬氧化物已被證明是最先進的催化劑，能夠降低能耗並提升能量轉化率，然而它們(men) 的稀缺性、高成本和低耐久性卻限製了大規模應用。

Xu副教授談到，尖晶石氧化物具有低成本和存量豐(feng) 富的優(you) 點，通過合理設計其中參數（比如采用過渡金屬製造尖晶石氧化物）以提高催化能力，將有望成為(wei) 貴金屬氧化物的替代材料。

該團隊基於(yu) 辨識出的關(guan) 鍵參數，利用含有超過300種尖晶石氧化物的數據集訓練出了一個(ge) 機器學習(xi) 模型，從(cong) 而可以在數秒內(nei) 篩選並預測任何一種尖晶石氧化物的效率。

利用這種方法，該團隊發現了一種由錳和鋁組成、催化活性極高的新型氧化物，且已經過實驗檢驗。

Xu副教授認為(wei) ：“盡管具備設計高性能催化劑的能力極大地推進了利用電解水製備氫氣的技術，但在規模化生產(chan) 之前還有兩(liang) 個(ge) 瓶頸亟待突破。首先，我們(men) 需要改良堿性電解池中的薄膜使其支持長時間製備氫氣。待這一問題解決(jue) 之後，我們(men) 便會(hui) 配合工程同事並嚐試將以上所有的改進整合到工業(ye) 水平的電解槽。”

翻譯：張宇哲

審校：董子晨曦

引進來源：新加坡南洋理工大學

引進鏈接：https://phys.org/news/2020-08-scientists-catalysts-efficient.html

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