另一种通往更好可持续的高效氢技术电催化剂的途径

包括中国科学院李伟在内的研究人员在《光电进展》(Opto-ElectronicAdvances)杂志上发表的一篇新论文讨论了通往更可持续的高效氢技术电催化剂的途径。

燃烧化石燃料时，大量二氧化碳(一种温室气体)会释放到大气中。将热量困在地球大气层中的温室气体是造成全球变暖的罪魁祸首。海平面上升、恶劣天气、生物多样性丧失、物种灭绝、食物短缺、健康恶化和贫困加剧都是与全球平均升温1.5摄氏度以上相关的风险。

减缓全球变暖是当今人类面临的最紧迫的挑战之一。应对此类气候变化的一个关键部分是减少化石燃料的使用，并转向零碳排放或负碳排放的可再生能源。好消息是许多国家已经在努力解决这个问题。例如，许多国家制定了具有挑战性的目标，以减少对化石燃料的依赖并转向可再生能源。太阳能、地热、水电、风能和生物质能都是可再生能源的例子，它们可以在不加速全球变暖的情况下产生能量。

随着全世界都在寻找合适的化石燃料替代品，研究人员意识到氢可能是一种有效的能量载体，可以很好地替代化石燃料。但是有一个问题：找到游离态的氢是不可能的。由于它是一种高反应性的非金属，它在自然界中从不自由存在，只能从其他能源中产生。

然后发现一种称为电极处自由基电化学氧化/还原的方法，这种方法对环境友好且可持续，可以帮助生产氢气、氨气、碳氢化合物和其他燃料。氢气和氧气的电化学燃料生产主要分别通过析氢反应(HER)和析氧反应(OER)进行。

但这种氢技术需要高活性和稳定的HER催化剂，而稀有元素铂(Pt)用于水分解装置。铂催化剂使这项技术更加昂贵，而铂的生产涉及影响我们生态系统的有毒化学物质。

此外，铂电催化剂周围自由基的非局部浓度大大降低了反应速度。可以通过大电极提高自由基浓度来加速该反应，可能借助于电力，该解决方案仍然很昂贵。

该研究的作者开发了一种物理和通用的设计方法，通过他们的高性能电极(LIPSS)将电催化燃料生成性能提高到一个广泛的范围。他们说，“电极上的分层LIPSS具有100-300nm宽度的周期性脊和槽，必须覆盖直径为3-94nm的球形纳米颗粒(NP)，然后局部电场引起的试剂浓度效应增强在这些周期性脊和NP可以显着提高HER和OER的电化学燃料生成性能。”

在测试这种催化剂性能的实验中，作者发现，通过使用LIPSS图案的这种优化形貌，电流电极在电流密度下实现了约3×1016分子cm-2s-1的最高产氢率10毫安/厘米2。

与没有任何LIPSS图案的Ni泡沫电极相比，该值的电极电位低约45%。在电极上精确、可控地制造LIPSS可以显着提高其作为可持续电催化剂的性能，从而有效地产生氢气。在LIPSS图案化的泡沫镍基底上，HER模型电催化剂在HER中表现出130mV(40%)的低10过电势和高稳定性。此外，LIPSS图案化NF基板上的OER模型电催化剂在OER中需要100mV(25%)以上的10过电势，并具有更高的稳定性。

此外，当两个LIPSS图案化电极同时组装为电池中的阳极和阴极时，与由原始Ni制成的类似电池相比，330mV的低电位足以驱动总水分解图中的10mA/cm2泡沫电极。图案化的LIPSS电催化剂在低得多的电势下运行，表明飞秒激光图案化方法很有可能产生绿色催化剂。

基于上述过程，相信本研究中提出的新见解将为证明可应用于任何金属和半导体催化剂的单步、快速和更好的电极表面图案化物理方法铺平道路以减少各种电化学反应所需的电能。

根据中国科学院(CAS)最近的研究结果，李和他的研究小组正在接近实现这一目标。他们的技术仍处于研究阶段，但似乎是一种很有前途的能量来源。创造一种对地球可靠且可持续的所谓氢提取催化剂是他们的最终目标。这篇文章的作者期待在未来几年内看到他们的方法投放市场，并看到它在世界范围内的影响不断扩大。

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