马克斯·普朗克学会弗里茨·哈伯研究所界面科学系的研究人员使用原子定义的模型预催化剂进行了实验，揭示了电催化水分解反应的复杂细节，旨在促进绿色 H 2生产。

持续的气候变化对人类构成严重威胁，影响每个人的生活，需要采取措施实施更可持续的能源经济。“绿色”能源的生产是一个关键因素。然而，能源生产必须伴随着经济的储存和运输方法。“绿色”氢 (H 2 ) 既可用作存储介质，也可用作运输工具，还可转化为其他有用的工业产品或能源载体，例如氨。它可以通过使用“绿色”电能分解水分子进行电解来生产。在电催化电池中，阴极产生分子氢，而阳极产生分子氧 (O 2 )。

阳极产生O 2是一个复杂的多步骤过程，这使得设计节能阳极具有挑战性。因此，大多数水分解研究都集中在阳极而不是阴极。在实际电解槽中，阳极具有复杂的化学成分和形态，阻碍了对电解过程的基本理解，而这对于后续优化非常需要。相关数据可能很难找到，就像大海捞针一样。为了解决这个问题，FHI 界面科学部的科学家们实施了一种实验方法，用更简单的模型预催化剂系统代替复杂的阳极。

在这种方法中，阳极预催化剂是一种轮廓分明的晶体薄氧化膜，可以控制其初始成分和结构的变化。为了确保纯度，阳极在超高真空条件下制备，并且所有后续研究都在同一实验表征系统中进行，而不将样品暴露于环境空气。这种严格的方法可保护阳极在整个实验过程中免受污染，防止对实验数据产生任何不利影响。了解阳极的原子细节特性是该方法的核心部分。主要重点是研究水分解催化的核心方面，包括 O 2的机械微观细节形成反应、活性位点、电极老化以及阳极的表面结构和成分对于水分解性能的作用。更具体地，在文献中众所周知，在操作条件下在催化剂表面上形成羟基氧化物层，但是该层的特性以及最佳结构、厚度和组成仍然未知。然而，人们认识到，O 2过程中发生了统一的结构转变。无论初始催化剂前结构如何。另一方面，正如本文所述，预催化剂阳极的具体特性决定了操作过程中发生的转变，并最终决定了电催化剂的长期活性和稳定性。

众所周知，在氧化钴阳极中添加铁可以显着提高其性能，但其潜在机制仍在讨论中。全面了解铁添加的具体作用对于优化水分解过程至关重要。为了实现这一目标，我们对晶体混合薄膜氧化物阳极进行了研究，探索了各种 Co:Fe 比例。平坦且轮廓分明的阳极结构使我们能够在氧化物的成分、结构和O 2形成性能之间建立定量关系，从而使铁添加的有益效果变得明显。稳定性研究进一步揭示了铁溶解带来的性能改进，最终使催化剂汇聚成稳定的高活性阳极。

该研究解决了水分解技术的两个相关方面，重点是最大限度地降低与电解槽制造和操作相关的成本。通过采用碱反应条件和地球丰富的材料来保持较低的成本对于广泛实施 H 2至关重要以能源经济为基础。目前的电解槽技术使用稀有金属、铱和铂进行节能电解。用更便宜的钴和铁基氧化物代替这些昂贵的金属将降低水分解的总体成本，从而增加该过程的经济吸引力。电效率是另一个重要的成本考虑因素，取决于电极的化学成分和形态。这项研究旨在增强我们对合理电催化剂设计的结构-反应性关系的理解。

这项研究是在 DFG 资助的 Transregio 247 项目框架内进行的，并得到了 BMBF 项目 CATLAB 的支持。这项研究的结果发表在《自然通讯》杂志上。

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