铱基催化剂有望提高绿色制氢效率
如果要通过储能在清洁转型中发挥作用并帮助难以实现电气化的行业脱碳，以风能和太阳能为动力的氢气生产仍然过于昂贵。降低成本的许多努力都集中在通过提高铱基催化剂的性能来提高生产效率，这些催化剂可以加速电化学反应中与氧相关的部分，该反应涉及将水分解成氢和氧的组成部分。对该领域现状的新评论讨论了其最近的进展和挑战，并确定了在此类催化剂实现商业可行性之前需要填补的研究空白。
该综述论文于 3 月 10 日发表在《纳米研究能源》杂志上 。
为了避免危险的气候变化，清洁生产的氢对于远离化石燃料的过渡至关重要，既可以作为单独使用的能源载体，也可以作为长途运输等经济领域合成燃料的组成部分难以电气化的航运和航空。但是这种清洁的氢生产——通过电解进行，使用电力将水分解成其组成元素氢和氧——是非常耗能的。电解的这种能量强度反过来又使氢的清洁生产非常昂贵，因此与化石燃料相比没有竞争力。
如果这还不够挑战，使用风能和太阳能作为清洁电力来源来为电解提供动力——一种称为“绿色氢”的制氢方式——会给电解槽带来巨大负担，因为这些能源是间歇性的。阳光不会一直照耀，风也不会一直吹。这意味着有时电流很少甚至没有，而在其他时候，可能会有很大的电流峰值，这会给电解槽带来压力，再次推高成本。然而，质子交换膜水电解槽 (PEMWE) 在这里是一个非常有前途的选择，因为 PEMWE 可以在高电流密度下运行，例如这些尖峰造成的电流密度。
电解是由两部分或“半反应”组成的化学反应。一种是产生氢气的析氢反应 (HER)，另一种是产生氧气的析氧反应 (OER)。但实际上后一个反应对于整个过程的能源效率以及清洁氢气的生产最为重要。
因此，为了减少能源需求，从而降低氢气清洁生产的成本，许多研究都集中在高级催化剂——加速化学反应的化学物质——用于过程的 OER 部分，并与 PEMWE 很好地配对。
然而，PEMWE 在酸性环境中的严重腐蚀使得大多数非贵金属基催化剂(例如使用钴、镍或铁)不稳定。但铱基催化剂在这些严酷的酸性条件下表现出更好的催化稳定性。
最近的一些研究报道了在开发用于绿色制氢的铱基催化剂方面取得的重大进展，包括使用新的合成方法以及优化催化剂结构和组成。
然而，要充分发挥铱基催化剂在绿色制氢方面的潜力，仍有一些研究挑战需要解决。一个主要挑战是铱的高成本——而高成本正是新型催化剂想要避免的。
“为了克服这个问题，研究人员正在探索可以替代铱或减少所需铱量的新合成方法和替代催化剂材料，”扬州大学化学与化工学院的王春云和该评论的第一作者说。“最近出现了一些新颖而有效的选择，例如氧化铱、钙钛矿、烧绿石和单原子催化剂。”
“因此，我们认为是时候暂停一下，并通过一篇评论论文评估铱基催化剂在绿色制氢方面的应用状况，”以色列阿里尔大学的化学家、该论文的合著者亚历克斯谢克特补充道。审查文件。“这样做的好处是可以汇集许多不同研究人员团队的信息，最重要的是，可以找出研究差距。”
该综述特别关注催化作用的运作方式(催化机制)、催化剂的设计以及催化剂的合成策略。特别是，该分析着眼于影响催化剂促进催化过程的不同属性，包括几何效应、电子效应、协同效应、缺陷工程和支持效应，以及不同的研究团队如何处理每个选项以尝试提高性能.
几何效应本质上描述了催化剂分子的形状、结构和大小，包括它的哪些晶面是暴露的，以及原子排列是如何有序或无序的。所有这些都会显着影响催化剂性能。电子效应是指与相关分子相关的电子结构。协同效应是指两种或多种成分结合在一起产生比单独使用任何一种成分更好的效果。缺陷工程涉及通过空隙、位错、空位等设计催化剂的表面化学——故意引入缺陷——以增加可以发生化学反应的地方(活性位点)的数量。支撑效应来自与催化剂相互作用并支撑催化剂的金属。
审稿人在调查他们的领域后得出结论，提高铱基催化剂性能的最成功策略包括缺陷工程、调整协同效应和改变几何效应。通过构建多孔结构并为促进质量和电子转移的催化剂引入载体，可以增加暴露的活性位点的数量。增强的金属-载体相互作用可以提高催化剂的长期稳定性。
尽管取得了相当大的研究成功，但该领域仍面临挑战。许多高性能的铱基催化剂已经被开发出来，但其中大部分只能在实验室中以几克甚至数百毫克的小规模合成。因此必须简化复杂的制备过程。
此外，与实际的催化系统相比，实验室条件有点过于理想，因此任何后续研究都需要真实世界的条件。这包括查看实际的电解槽温度、电流密度和产品输送等方面，这将能够在实际应用中评估性能催化剂。
除了催化剂本身，其他组件也需要优化，包括开发具有高耐腐蚀性和低成本的电极板、具有高质子传输能力的质子交换膜。
然而，审稿人强调，这些挑战都不会破坏用于绿色制氢的铱基催化剂。相反，这些代表了新研究的可能途径，这些研究可能会带来这一过程实现商业可行性所需的突破。
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