美國(guó)俄勒岡州立大學(xué)工程學(xué)院(Oregon State University College of Engineering)的研究人員與康納爾大學(xué)Cornell University以及美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Argonne National Laboratory)的研究人員合作，將讓利用水高效大規(guī)模制氫即將成為現(xiàn)實(shí)。

了解銥酸鍶催化劑活性高的原因(圖片來(lái)源：俄勒岡州立大學(xué))

科學(xué)家們利用先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)工具，對(duì)電化學(xué)催化工藝有了更清晰的認(rèn)識(shí)，而該工藝比利用天然氣制氫更清潔、更具有可持續(xù)性。氫存在于各種各樣的化合物中，最常見(jiàn)的就是其與氧氣結(jié)合制成水，而且其在科學(xué)、工業(yè)和能源相關(guān)的領(lǐng)域也發(fā)揮作用。此外，氫也以碳?xì)浠衔锏男问酱嬖?，如天然氣的主要成分甲烷就由氫和碳?gòu)成。

領(lǐng)導(dǎo)該項(xiàng)研究的化學(xué)工程教授Zhenxing Feng表示：“生產(chǎn)氫對(duì)于我們生活的很多方面都很重要，例如汽車(chē)燃料電池，制作氨等很多有用的化學(xué)物質(zhì)。此外，還可用于精煉金屬，生產(chǎn)塑料等人造材料以及用于各種用途?！?/span>

根據(jù)美國(guó)能源部所說(shuō)，美國(guó)主要利用一種蒸汽-甲烷重整技術(shù)從天然氣等甲烷中提取氫氣。該工藝包括將甲烷置于有催化劑的加壓蒸汽中，制造一種能夠產(chǎn)生氫氣、一氧化碳以及少量二氧化碳的反應(yīng)。

下一步是水-氣轉(zhuǎn)化反應(yīng)，其中一氧化碳和蒸汽會(huì)通過(guò)不同的催化劑反應(yīng)，制造二氧化碳以及額外的氫氣。最后一步，利用變壓吸附法將二氧化碳和其他雜質(zhì)移除，只留下純氫。

Feng教授表示：“與天然氣重整技術(shù)相比，利用可再生能源發(fā)電分解水制氫的方式更清潔、更具可持續(xù)性。不過(guò)，因?yàn)樵摴に囍杏幸粋€(gè)關(guān)鍵的半反應(yīng)析氧反應(yīng)(OER)的高過(guò)電位(電化學(xué)反應(yīng)中的真實(shí)電位與理論電位之間的差距)，導(dǎo)致分解水的效率很低。”

半反應(yīng)是氧化還原反應(yīng)中兩個(gè)反應(yīng)中的一部分，其中電子在兩個(gè)反應(yīng)物之間轉(zhuǎn)移，還原指代獲得電子，氧化意味著失去電子。半反應(yīng)的概念通常被用于描述電化學(xué)電池中發(fā)生的事情，而半反應(yīng)通常被用于平衡氧化還原反應(yīng)。過(guò)電位是理論電壓和電解反應(yīng)產(chǎn)生所需的真實(shí)電壓之間的差值，其中電解是由電流驅(qū)動(dòng)的化學(xué)反應(yīng)。

Feng教授表示：“電催化劑是通過(guò)降低過(guò)電位改進(jìn)水分解反應(yīng)的關(guān)鍵，但是研發(fā)高性能的電催化劑絕非易事。主要障礙之一是缺乏關(guān)于電化學(xué)操作過(guò)程中電催化劑結(jié)構(gòu)如何演變的信息，了解OER反應(yīng)期間電化學(xué)催化劑結(jié)構(gòu)的化學(xué)演變過(guò)程，對(duì)于研發(fā)高質(zhì)量的電催化劑材料，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)能源的可持續(xù)性至關(guān)重要。”

Feng教授與合作伙伴利用一套先進(jìn)的表征工具研究最新OER電催化劑銥酸鍶((SrIrO3)在酸性電解質(zhì)中的原子結(jié)構(gòu)演變情況。

Feng教授表示：“我們想要了解在OER反應(yīng)中，銥酸鍶的活性高于普通商用催化劑1000倍的原因。利用阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的同步加速器X射線(xiàn)設(shè)備和俄亥俄州立大學(xué)西北納米技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施實(shí)驗(yàn)室的X射線(xiàn)光電子能譜，我們?cè)贠ER反應(yīng)中，觀(guān)察到銥酸鍶的表面化學(xué)性能以及從晶體轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷w的過(guò)程。”此類(lèi)觀(guān)察結(jié)果能夠讓大家對(duì)銥酸鍶為什么是一種出色的催化劑有了更深入的了解。

Feng教授還補(bǔ)充道，該項(xiàng)研究為如何利用電位促進(jìn)在電化學(xué)界面上形成功能非晶形層提供了見(jiàn)解，還有利于設(shè)計(jì)出更好的催化劑。

來(lái)源：全國(guó)能源信息平臺(tái)