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包括中國科學(xué)院李偉在內(nèi)的研究人員在《光電進(jìn)展》(Opto-ElectronicAdvances)雜志上發(fā)表的一篇新論文討論了通往更可持續(xù)的高效氫技術(shù)電催化劑的途徑。

燃燒化石燃料時，大量二氧化碳(一種溫室氣體)會釋放到大氣中。將熱量困在地球大氣層中的溫室氣體是造成全球變暖的罪魁禍?zhǔn)?。海平面上升、惡劣天氣、生物多樣性喪失、物種滅絕、食物短缺、健康惡化和貧困加劇都是與全球平均升溫1.5攝氏度以上相關(guān)的風(fēng)險。

【資料圖】

減緩全球變暖是當(dāng)今人類面臨的最緊迫的挑戰(zhàn)之一。應(yīng)對此類氣候變化的一個關(guān)鍵部分是減少化石燃料的使用，并轉(zhuǎn)向零碳排放或負(fù)碳排放的可再生能源。好消息是許多國家已經(jīng)在努力解決這個問題。例如，許多國家制定了具有挑戰(zhàn)性的目標(biāo)，以減少對化石燃料的依賴并轉(zhuǎn)向可再生能源。太陽能、地?zé)?、水電、風(fēng)能和生物質(zhì)能都是可再生能源的例子，它們可以在不加速全球變暖的情況下產(chǎn)生能量。

隨著全世界都在尋找合適的化石燃料替代品，研究人員意識到氫可能是一種有效的能量載體，可以很好地替代化石燃料。但是有一個問題：找到游離態(tài)的氫是不可能的。由于它是一種高反應(yīng)性的非金屬，它在自然界中從不自由存在，只能從其他能源中產(chǎn)生。

然后發(fā)現(xiàn)一種稱為電極處自由基電化學(xué)氧化/還原的方法，這種方法對環(huán)境友好且可持續(xù)，可以幫助生產(chǎn)氫氣、氨氣、碳?xì)浠衔锖推渌剂?。氫氣和氧氣的電化學(xué)燃料生產(chǎn)主要分別通過析氫反應(yīng)(HER)和析氧反應(yīng)(OER)進(jìn)行。

但這種氫技術(shù)需要高活性和穩(wěn)定的HER催化劑，而稀有元素鉑(Pt)用于水分解裝置。鉑催化劑使這項技術(shù)更加昂貴，而鉑的生產(chǎn)涉及影響我們生態(tài)系統(tǒng)的有毒化學(xué)物質(zhì)。

此外，鉑電催化劑周圍自由基的非局部濃度大大降低了反應(yīng)速度。可以通過大電極提高自由基濃度來加速該反應(yīng)，可能借助于電力，該解決方案仍然很昂貴。

該研究的作者開發(fā)了一種物理和通用的設(shè)計方法，通過他們的高性能電極(LIPSS)將電催化燃料生成性能提高到一個廣泛的范圍。他們說，“電極上的分層LIPSS具有100-300nm寬度的周期性脊和槽，必須覆蓋直徑為3-94nm的球形納米顆粒(NP)，然后局部電場引起的試劑濃度效應(yīng)增強(qiáng)在這些周期性脊和NP可以顯著提高HER和OER的電化學(xué)燃料生成性能。”

在測試這種催化劑性能的實驗中，作者發(fā)現(xiàn)，通過使用LIPSS圖案的這種優(yōu)化形貌，電流電極在電流密度下實現(xiàn)了約3×1016分子cm-2s-1的最高產(chǎn)氫率10毫安/厘米2。

與沒有任何LIPSS圖案的Ni泡沫電極相比，該值的電極電位低約45%。在電極上精確、可控地制造LIPSS可以顯著提高其作為可持續(xù)電催化劑的性能，從而有效地產(chǎn)生氫氣。在LIPSS圖案化的泡沫鎳基底上，HER模型電催化劑在HER中表現(xiàn)出130mV(40%)的低10過電勢和高穩(wěn)定性。此外，LIPSS圖案化NF基板上的OER模型電催化劑在OER中需要100mV(25%)以上的10過電勢，并具有更高的穩(wěn)定性。

此外，當(dāng)兩個LIPSS圖案化電極同時組裝為電池中的陽極和陰極時，與由原始Ni制成的類似電池相比，330mV的低電位足以驅(qū)動總水分解圖中的10mA/cm2泡沫電極。圖案化的LIPSS電催化劑在低得多的電勢下運(yùn)行，表明飛秒激光圖案化方法很有可能產(chǎn)生綠色催化劑。

基于上述過程，相信本研究中提出的新見解將為證明可應(yīng)用于任何金屬和半導(dǎo)體催化劑的單步、快速和更好的電極表面圖案化物理方法鋪平道路以減少各種電化學(xué)反應(yīng)所需的電能。

根據(jù)中國科學(xué)院(CAS)最近的研究結(jié)果，李和他的研究小組正在接近實現(xiàn)這一目標(biāo)。他們的技術(shù)仍處于研究階段，但似乎是一種很有前途的能量來源。創(chuàng)造一種對地球可靠且可持續(xù)的所謂氫提取催化劑是他們的最終目標(biāo)。這篇文章的作者期待在未來幾年內(nèi)看到他們的方法投放市場，并看到它在世界范圍內(nèi)的影響不斷擴(kuò)大。