氫氣是一種十分清潔的能源，燃燒后只產(chǎn)生水，沒(méi)有污染?？紤]到地球上豐富的海水資源，如果可以通過(guò)可再生能源（比如太陽(yáng)能、風(fēng)能等）產(chǎn)生的電能來(lái)電解水得到氫，那將顛覆目前化石燃料占主流的能源格局，幫助人類(lèi)解決能源危機(jī)和環(huán)境問(wèn)題。然而，目前全世界只有4%的氫是通過(guò)電解水產(chǎn)生的，這主要是因?yàn)楫?dāng)前技術(shù)條件下整個(gè)過(guò)程成本很高，難以推廣。

　　目前，市場(chǎng)上主要有兩種電解水技術(shù)，一種基于堿性液體電解質(zhì)，另一種是聚合物電解質(zhì)膜。前者是一種比較成熟的技術(shù)，已經(jīng)出現(xiàn)多年，使用地球含量豐富的金屬為催化劑，更為經(jīng)濟(jì)，但效率較低。而后者電解效率高，有文獻(xiàn)報(bào)道，通過(guò)將光伏電池與兩個(gè)串聯(lián)的電解槽相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)30%的太陽(yáng)能氫轉(zhuǎn)換效率。然而，這個(gè)過(guò)程需要使用的貴金屬催化劑價(jià)格昂貴且極為稀缺，前景并不明朗。

　　近日，西班牙加泰羅尼亞化學(xué)研究所（ICIQ）的課題組研究發(fā)現(xiàn)，堿性水電解過(guò)程中利用強(qiáng)磁性的混合氧化物如NiZnFe4Ox做電催化劑，當(dāng)向陽(yáng)極上施加中等強(qiáng)度的磁場(chǎng)（≤450 mT）時(shí)，電流密度的增量能夠超過(guò)一倍。他們還發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)的這種“加持”效果在修飾后的泡沫Ni電極上同樣適用，磁場(chǎng)下其催化活性提高了約40%，可在低電位下達(dá)到很高的電流密度。相關(guān)論文發(fā)表于Nature Energy。

　　OER反應(yīng)機(jī)理（圖片來(lái)源：Nat. Energy）

　　之前已經(jīng)有相關(guān)研究證實(shí)，自旋極化在析氧反應(yīng)（OER）反應(yīng)中起到的積極作用。而OER反應(yīng)，一向被認(rèn)為是水分解的瓶頸。理論上，磁性電極也可能帶來(lái)類(lèi)似的積極效果。此外還有研究發(fā)現(xiàn)，在磁場(chǎng)的作用下，由洛倫茲力引起的磁流體動(dòng)力對(duì)流可以推動(dòng)電解液的循環(huán)，加速氣泡和電極分離。而且，利用磁性納米粒子修飾的電極，施加高頻交變磁場(chǎng)，可以使電極表面產(chǎn)生類(lèi)似高溫的狀態(tài)，提升電解效率。不過(guò)，上面兩個(gè)工作中磁場(chǎng)的這些效果都是以間接的方式起作用的，而且還需要特殊設(shè)計(jì)的電解器。

　　實(shí)驗(yàn)裝置圖（圖片來(lái)源：Nat. Energy）

　　研究人員測(cè)試了多種OER催化劑（a, IrO2; b, NiO; c, Raney Ni; d, Ni2Cr2FeOx; e, NiFe2Ox; f, FeNi4Ox; g, ZnFe2Ox; h, NiZnFe4Ox; i, NiZnFeOx）在有無(wú)磁場(chǎng)條件下的極化曲線，希望確定磁場(chǎng)能否直接影響水電解產(chǎn)氫的性能。除了非磁性催化劑IrO2的改變可以忽略不計(jì)以外，其他磁性催化劑的電流密度都有明顯增強(qiáng)，研究者稱(chēng)之為磁電流。

　　既然該現(xiàn)象與電極的磁性有關(guān)，于是研究者探討了磁電流增量與電極的磁化強(qiáng)度之間的聯(lián)系，發(fā)現(xiàn)二者呈線性關(guān)系。作為實(shí)驗(yàn)中磁化強(qiáng)度最大的NiZnFe4Ox電極，在1.65 V電壓下，電流密度增加了近一倍。

　　問(wèn)題來(lái)了。如果根據(jù)之前的解釋?zhuān)艌?chǎng)主要是促進(jìn)電解液的循環(huán)，那么為何電流密度會(huì)與電極的磁化強(qiáng)度有如此密切的關(guān)系呢？這表明這種效應(yīng)與催化劑結(jié)合的氧中間體的電子自旋狀態(tài)有關(guān)。

　　OER反應(yīng)是電解水中的限速步驟，是一個(gè)緩慢且需要能量的四電子過(guò)程，O-O鍵的形成必須通過(guò)自旋守恒，來(lái)以此產(chǎn)生基態(tài)氧分子。研究者通過(guò)計(jì)算認(rèn)為，磁場(chǎng)具有限制自旋的作用，有利于氧自由基在形成O-O鍵的過(guò)程中在磁性電極表面平行排列，因此對(duì)高磁性催化劑的影響最大。

　　有科學(xué)家評(píng)論到，這是一項(xiàng)非常漂亮的工作，但是，自旋對(duì)催化劑表面反應(yīng)的影響是非常復(fù)雜的，具體機(jī)機(jī)理還未被完全解釋。不過(guò)，該研究為堿性電解槽技術(shù)的技術(shù)改進(jìn)開(kāi)拓了道路，如果這種方法可以規(guī)模化應(yīng)用，很可能降低電解水產(chǎn)氫的成本，讓我們距離這種清潔燃料更近一步。



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