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东京工业大学发现可用于制氢的新电催化剂材料 成本低/效率高

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58京牌 化石燃料不仅是不可再生能源,同时也是全球变暖和空气污染的主要原因之一,因此很多科学家寄希望于氢燃料。氢是一种清洁燃料,而且能量密度非常高,但如何有效地生产大量氢气,仍是一项艰巨的技术挑战。

(图片来源:东京工业大学)

水分解是最常用的制氢方法之一。在这一过程中,由铂、钌和铱等贵金属制成催化剂性能表现优异,但成本过高。问题在于,在关键的析氧反应(OER)中,如果采用由储量丰富的金属制成的电催化剂,效率又太低。

,日本东京工业大学(Tokyo Institute of Technology)的科学家发现了一种电催化剂材料——氧化铁钙(CaFe2O4),可用水分解过程,并且极具成本效益。在OER反应中,铁氧化物表现平平,但之前的研究表明,与其他金属结合后,其性能可提高至实际可用的水平。研究人员Yuuki Sugawa博士表示:“我们想要揭示CaFe2O4的潜力,并通过与其他铁基双金属氧化物进行比较,阐明促进其OER活性的关键因素。”

该团队为此测试了六种铁基氧化物,包括CaFe2O4在内。结果显示,CaFe2O4的OER性能远高于其他双金属电催化剂,甚至高于常用的氧化铱。此外,测试表明,这种材料具有耐久性,在测试循环后没有出现明显的结构和成分变化,而且电化学电池中CaFe2O4电极的性能仍然很高。

为了解这种电催化剂性能优异的原因,科学家利用密度泛函理论进行计算,并发现了一种非常规催化机理。这表明CaFe2O4为氧键的形成提供了一条能量可行性途径,这是OER中的一个限制性步骤。虽然还需要更多的理论计算和实验来进行证实,但结果表明,多个铁位点之间的距离很近起到了关键作用。

Sugawara博士表示,新发现的OER电催化剂将带来根本性改变。“CaFe2O4具有许多优点,比如易于合成且成本低,对环境影响少。预计将是很有前景的水分解OER电催化剂,为开发能源转换设备开辟新途径。此外,在CaFe2O4中发现的新OER增强机理,可用于其他有用催化剂的工程设计。”

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