人們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，并進(jìn)而提升電解過(guò)程的效率。日前，由新加坡南洋理工大學(xué)（NTU）領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)通過(guò)辨識(shí)影響催化性能的因素，設(shè)計(jì)出一種性能更好的新型尖晶石氧化物，向氫能源經(jīng)濟(jì)又“邁進(jìn)了一步”。（圖片來(lái)源：NTU Singapore）

NTU領(lǐng)導(dǎo)的一支科研團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了決定尖晶石氧化物（一類(lèi)低成本催化劑）催化率的關(guān)鍵參數(shù)，突破了利用電解水提取氫氣的技術(shù)瓶頸。

電解水提取氫氣的最大難點(diǎn)在于高能耗帶來(lái)的高成本。因此必須借助催化劑來(lái)加速電解過(guò)程中的化學(xué)反應(yīng)。

近年來(lái)，通常由低成本過(guò)渡金屬制造的尖晶石氧化物引起了科研人員的關(guān)注，這一穩(wěn)定且廉價(jià)的催化劑有望克服電解水能耗高的問(wèn)題；然而，對(duì)其催化機(jī)理的不了解卻阻礙了人們?cè)O(shè)計(jì)高性能尖晶石氧化物。

如今，來(lái)自新加坡南洋理工大學(xué)(NTU)的副教授Jason Xu Zhichuan與他的團(tuán)隊(duì)取得了兩項(xiàng)重要進(jìn)展。他們從原子層面揭示了尖晶石氧化物加速水電解的機(jī)理?；谶@一認(rèn)識(shí)，該團(tuán)隊(duì)利用機(jī)器學(xué)習(xí)篩選出了催化活性更高的新型尖晶石氧化物，從而提升了電解水的效率。

這些發(fā)現(xiàn)使得該團(tuán)隊(duì)距離將電解水作為大規(guī)模制備氫氣的手段又近了一步，同時(shí)新加坡能源市場(chǎng)管理局也在重點(diǎn)關(guān)注這一制氫途徑，并將其作為完成“截至2050年將新加坡峰值碳足跡降低一半”的目標(biāo)的備選方案之一。這與全球發(fā)展趨勢(shì)吻合，比如歐盟在不久前宣布將氫戰(zhàn)略作為達(dá)成“歐洲綠色協(xié)議——2050氣候中立”目標(biāo)的重要解決方案之一。

圖片來(lái)源：Pixabay

NTU材料科學(xué)與工程學(xué)院的Xu副教授認(rèn)為：“為改善尖晶石氧化物的催化性能，我們需要更深入地理解其加速水電解的內(nèi)在機(jī)理。現(xiàn)在，通過(guò)辨識(shí)影響尖晶石氧化物催化性能的關(guān)鍵參數(shù)，我們能夠設(shè)計(jì)出性能更優(yōu)異的新型尖晶石氧化物，幫助我們實(shí)現(xiàn)氫能源經(jīng)濟(jì)?！?/p>

這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)發(fā)表在《自然·催化》（Nature Catalysis）上。

向氫燃料經(jīng)濟(jì)前進(jìn)

利用風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源電解水并制取氫氣，是生產(chǎn)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(fā)電、運(yùn)輸和燃料加注過(guò)程中使用的化石燃料。

包括鋰離子電池在內(nèi)的傳統(tǒng)儲(chǔ)能設(shè)備會(huì)隨時(shí)間逐漸老化并喪失充電能力，而氫氣作為能量載體則是一種可行的儲(chǔ)能替代方案。

水在電解槽中電解的過(guò)程伴有兩個(gè)主要的化學(xué)反應(yīng)：其中一個(gè)產(chǎn)生氫氣，另一個(gè)產(chǎn)生氧氣，通過(guò)薄膜可將兩種產(chǎn)物隔開(kāi)。

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

他接著說(shuō)道：“析氧反應(yīng)直接決定了利用電解水制備氫氣的設(shè)備的效率；然而該反應(yīng)卻相對(duì)緩慢，降低了整個(gè)能量轉(zhuǎn)化率。因此我們需要類(lèi)似金屬氧化物這樣的催化劑來(lái)加速這一過(guò)程?！?/p>

圖片來(lái)源：Pixabay

盡管貴金屬氧化物已被證明是最先進(jìn)的催化劑，能夠降低能耗并提升能量轉(zhuǎn)化率，然而它們的稀缺性、高成本和低耐久性卻限制了大規(guī)模應(yīng)用。

Xu副教授談到，尖晶石氧化物具有低成本和存量豐富的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)合理設(shè)計(jì)其中參數(shù)（比如采用過(guò)渡金屬制造尖晶石氧化物）以提高催化能力，將有望成為貴金屬氧化物的替代材料。

該團(tuán)隊(duì)基于辨識(shí)出的關(guān)鍵參數(shù)，利用含有超過(guò)300種尖晶石氧化物的數(shù)據(jù)集訓(xùn)練出了一個(gè)機(jī)器學(xué)習(xí)模型，從而可以在數(shù)秒內(nèi)篩選并預(yù)測(cè)任何一種尖晶石氧化物的效率。

利用這種方法，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一種由錳和鋁組成、催化活性極高的新型氧化物，且已經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。

Xu副教授認(rèn)為：“盡管具備設(shè)計(jì)高性能催化劑的能力極大地推進(jìn)了利用電解水制備氫氣的技術(shù)，但在規(guī)模化生產(chǎn)之前還有兩個(gè)瓶頸亟待突破。首先，我們需要改良?jí)A性電解池中的薄膜使其支持長(zhǎng)時(shí)間制備氫氣。待這一問(wèn)題解決之后，我們便會(huì)配合工程同事并嘗試將以上所有的改進(jìn)整合到工業(yè)水平的電解槽?！?/p>

翻譯：張宇哲

審校：董子晨曦

引進(jìn)來(lái)源：新加坡南洋理工大學(xué)

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

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