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包括中國科學院李偉在內(nèi)的研究人員在《光電進展》(Opto-ElectronicAdvances)雜志上發(fā)表的一篇新論文討論了通往更可持續(xù)的高效氫技術(shù)電催化劑的途徑。

燃燒化石燃料時，大量二氧化碳(一種溫室氣體)會釋放到大氣中。將熱量困在地球大氣層中的溫室氣體是造成全球變暖的罪魁禍首。海平面上升、惡劣天氣、生物多樣性喪失、物種滅絕、食物短缺、健康惡化和貧困加劇都是與全球平均升溫1.5攝氏度以上相關(guān)的風險。

【資料圖】

減緩全球變暖是當今人類面臨的最緊迫的挑戰(zhàn)之一。應(yīng)對此類氣候變化的一個關(guān)鍵部分是減少化石燃料的使用，并轉(zhuǎn)向零碳排放或負碳排放的可再生能源。好消息是許多國家已經(jīng)在努力解決這個問題。例如，許多國家制定了具有挑戰(zhàn)性的目標，以減少對化石燃料的依賴并轉(zhuǎn)向可再生能源。太陽能、地熱、水電、風能和生物質(zhì)能都是可再生能源的例子，它們可以在不加速全球變暖的情況下產(chǎn)生能量。

隨著全世界都在尋找合適的化石燃料替代品，研究人員意識到氫可能是一種有效的能量載體，可以很好地替代化石燃料。但是有一個問題：找到游離態(tài)的氫是不可能的。由于它是一種高反應(yīng)性的非金屬，它在自然界中從不自由存在，只能從其他能源中產(chǎn)生。

然后發(fā)現(xiàn)一種稱為電極處自由基電化學氧化/還原的方法，這種方法對環(huán)境友好且可持續(xù)，可以幫助生產(chǎn)氫氣、氨氣、碳氫化合物和其他燃料。氫氣和氧氣的電化學燃料生產(chǎn)主要分別通過析氫反應(yīng)(HER)和析氧反應(yīng)(OER)進行。

但這種氫技術(shù)需要高活性和穩(wěn)定的HER催化劑，而稀有元素鉑(Pt)用于水分解裝置。鉑催化劑使這項技術(shù)更加昂貴，而鉑的生產(chǎn)涉及影響我們生態(tài)系統(tǒng)的有毒化學物質(zhì)。

此外，鉑電催化劑周圍自由基的非局部濃度大大降低了反應(yīng)速度?？梢酝ㄟ^大電極提高自由基濃度來加速該反應(yīng)，可能借助于電力，該解決方案仍然很昂貴。

該研究的作者開發(fā)了一種物理和通用的設(shè)計方法，通過他們的高性能電極(LIPSS)將電催化燃料生成性能提高到一個廣泛的范圍。他們說，“電極上的分層LIPSS具有100-300nm寬度的周期性脊和槽，必須覆蓋直徑為3-94nm的球形納米顆粒(NP)，然后局部電場引起的試劑濃度效應(yīng)增強在這些周期性脊和NP可以顯著提高HER和OER的電化學燃料生成性能?！?/p>

在測試這種催化劑性能的實驗中，作者發(fā)現(xiàn)，通過使用LIPSS圖案的這種優(yōu)化形貌，電流電極在電流密度下實現(xiàn)了約3×1016分子cm-2s-1的最高產(chǎn)氫率10毫安/厘米2。

與沒有任何LIPSS圖案的Ni泡沫電極相比，該值的電極電位低約45%。在電極上精確、可控地制造LIPSS可以顯著提高其作為可持續(xù)電催化劑的性能，從而有效地產(chǎn)生氫氣。在LIPSS圖案化的泡沫鎳基底上，HER模型電催化劑在HER中表現(xiàn)出130mV(40%)的低10過電勢和高穩(wěn)定性。此外，LIPSS圖案化NF基板上的OER模型電催化劑在OER中需要100mV(25%)以上的10過電勢，并具有更高的穩(wěn)定性。

此外，當兩個LIPSS圖案化電極同時組裝為電池中的陽極和陰極時，與由原始Ni制成的類似電池相比，330mV的低電位足以驅(qū)動總水分解圖中的10mA/cm2泡沫電極。圖案化的LIPSS電催化劑在低得多的電勢下運行，表明飛秒激光圖案化方法很有可能產(chǎn)生綠色催化劑。

基于上述過程，相信本研究中提出的新見解將為證明可應(yīng)用于任何金屬和半導(dǎo)體催化劑的單步、快速和更好的電極表面圖案化物理方法鋪平道路以減少各種電化學反應(yīng)所需的電能。

根據(jù)中國科學院(CAS)最近的研究結(jié)果，李和他的研究小組正在接近實現(xiàn)這一目標。他們的技術(shù)仍處于研究階段，但似乎是一種很有前途的能量來源。創(chuàng)造一種對地球可靠且可持續(xù)的所謂氫提取催化劑是他們的最終目標。這篇文章的作者期待在未來幾年內(nèi)看到他們的方法投放市場，并看到它在世界范圍內(nèi)的影響不斷擴大。