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西湖大學(xué)網(wǎng)站8月19日消息，近日，西湖大學(xué)孫立成教授團(tuán)隊(duì)在Nature Catalysis上發(fā)表了研究文章。他們開發(fā)了一種基于非均勻形核液相體系的催化劑制備工藝，即向溶液中人為引入不溶納米顆粒，在常溫、常壓條件下通過(guò)簡(jiǎn)單浸泡法，一步合成非貴金屬催化劑——CAPist-L1。

一款新型催化材料被浸在堿性水中，表面源源不斷地產(chǎn)生氣泡，它已經(jīng)在安培級(jí)電流密度下穩(wěn)定工作了19000小時(shí)。也就是說(shuō)，兩年多時(shí)間過(guò)去了，這個(gè)小小方塊毫無(wú)衰退的跡象。

這是陰離子交換膜電解水制氫（AEM-WE）的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)。此前，AEM-WE技術(shù)受制于氧氣析出反應(yīng)（OER）催化劑難以在大電流密度下維持太久的難題，一直沒(méi)有實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。西湖大學(xué)人工光合作用與太陽(yáng)能燃料中心（CAP）在這一材料上獲得重大突破。經(jīng)年累月的探索之后，實(shí)驗(yàn)中的一次意外，神奇地完成了“助攻”，成了上天眷顧的“臨門一腳”。

催化劑測(cè)試裝置有點(diǎn)像是夏日雪碧。西湖大學(xué)

文章截圖

一次錯(cuò)誤引發(fā)的突破

氫氣，無(wú)疑是清潔、高效、可持續(xù)的能源。它的燃燒，只產(chǎn)生水，而且氫氣燃燒產(chǎn)生的熱量是天然氣的2.56倍，是普通汽油的2.95倍。

氫原子無(wú)處不在，它只是被“束縛”在水中。自然界的光合作用就有把水“拆開”的魔力。

CAPist-L1，材料呈現(xiàn)多孔的透氣結(jié)構(gòu)

而孫立成團(tuán)隊(duì)二十多年來(lái)研究并模仿這種能力，在光合作用以及清潔能源的研究上實(shí)現(xiàn)了諸多突破。

孫立成教授

如Ru-bda新型催化劑的開發(fā)，解密光合作用“椅子魔術(shù)”的關(guān)鍵一環(huán)等等。

電解水制氫實(shí)驗(yàn)室一角

學(xué)過(guò)初中化學(xué)都知道，電解水可以產(chǎn)生氫氣和氧氣，但這個(gè)過(guò)程需要催化劑，否則會(huì)耗費(fèi)極大的電能，根本不劃算。

目前，低溫電解水制綠色氫氣技術(shù)主要分為：堿性電解槽電解水制氫（AWE）、質(zhì)子交換膜電解水制氫（PEM-WE）、陰離子交換膜電解水制氫（AEM-WE）。

其中，AEM-WE集合了前兩者的優(yōu)點(diǎn)被寄予厚望。

通俗講，AEM-WE系統(tǒng)由陰離子交換膜隔開，讓氧氣和氫氣在不同的電極處產(chǎn)生，陽(yáng)極催化劑那一側(cè)產(chǎn)生氧氣，陰極催化劑那一側(cè)則產(chǎn)生氫氣。

但是，陽(yáng)極側(cè)OER催化劑卻難以在大電流密度條件下維持高活性和高穩(wěn)定性。

而化學(xué)反應(yīng)必須守恒，假設(shè)水變成兩份氫氣的話，同時(shí)也會(huì)生成一份氧氣，所以，陽(yáng)極催化劑的催化效率問(wèn)題就限制了AEM-WE的發(fā)展。

而一次"錯(cuò)誤"卻帶來(lái)的神奇的突破。

電解水實(shí)驗(yàn)裝置（CAP）

2022年4月，彼時(shí)在CAP做博士后的李志恒在一次利用浸泡法制備鎳鐵基OER催化劑時(shí)不小心把乙醇（酒精）當(dāng)作去離子水使用，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在泡沫鎳上長(zhǎng)出來(lái)的催化劑OER性能居然非常不錯(cuò)，李志恒詫異之下他聞了聞加錯(cuò)的試劑，心想：我沒(méi)喝酒，肯定是你“喝酒”了。

他們把樣品拿到電鏡下，發(fā)現(xiàn)這種催化劑如同花朵一樣層層疊疊，孫立成教授當(dāng)時(shí)就給它取名為“繡球花”。

CAPist-L1催化劑的“繡球花”結(jié)構(gòu)

孫立成教授憑借經(jīng)驗(yàn)判斷，這種層疊結(jié)構(gòu)很可能有不錯(cuò)的催化穩(wěn)定性。

但為什么會(huì)這樣？

這讓李志恒非常困惑。

此時(shí)，另外一位博士后林高鑫加入，一起進(jìn)行理論層面的探索。

通過(guò)查找文獻(xiàn)知道，催化劑的原料之一硫酸亞鐵溶于水，但卻幾乎不溶于乙醇。

研究團(tuán)隊(duì)猜測(cè)，正是這種難溶特性造成了硫酸鹽在乙醇和水混合溶液中的析出，形成了含納米級(jí)不溶顆粒物的非均勻形核液相體系，這為催化劑晶體的生長(zhǎng)提供了最初的“核”。

其實(shí)，大自然深諳這個(gè)過(guò)程，例如雨、雪、冰雹等的形成，也需要諸如灰塵作為相變所需的“核”。

非均勻形核液相體系如何在泡沫鎳基底上“生長(zhǎng)”出催化劑

接下來(lái)的工作是優(yōu)化制備方案，并在機(jī)制上進(jìn)一步探明。