绿色火花：将水转化为能源财富的催化剂

一种稳定、反应性强且具有成本效益的钌催化剂，用于通过质子交换膜电解水实现可持续制氢。

用于绿色氢气生产的可持续电解具有挑战性，主要是由于缺乏高效、低成本和稳定的催化剂来进行酸性溶液中的析氧反应。一组研究人员现在通过掺杂锌来开发一种钌催化剂，与商业版本相比，具有更高的稳定性和反应性。所提出的策略可以通过为有助于清洁能源技术的下一代电催化剂铺平道路来彻底改变氢气生产。

电解和催化剂的挑战

电解是一种利用电力从水中产生氢和氧分子的过程。使用质子交换膜（PEM）和可再生能源进行水电解被广泛认为是一种可持续的制氢方法。

然而，推进质子交换膜电解水技术的一个挑战是，在质子交换膜电解水过程中，酸性溶液中缺乏高效、低成本和稳定的析氧反应（OER）催化剂。虽然铱基催化剂是一种潜在的解决方案，但金属铱在自然界中是稀有且昂贵的。或者，钌氧化物 （RuO2） 提供了一种更实惠和反应性更强的选择，但它们也存在稳定性问题。

因此，研究人员正在探索提高RuO2结构稳定性的方法，以开发有前途的OER催化剂，以成功实施制氢技术。

OER催化剂开发的突破性进展

现在，在2024年1月发表在《能源化学杂志》第88卷上的最新研究中，由中央大学先进材料工程系的Haeseong Jang教授领导的一组研究人员开发了一种很有前途的OER催化剂。该催化剂表示为SA Zn-RuO2，由由锌的单原子稳定的RuO2组成。

Jang教授详细阐述了他们的研究，他说：“我们的动机是需要为PEM水电解中的OER寻找高效且具有成本效益的替代电催化剂。基于我们的研究，我们提出了一种双重工程策略，包括单原子Zn掺杂和氧空位的引入，以平衡酸性OER过程中的高催化活性和稳定性。

催化剂设计与性能

研究人员通过用钌（Ru）和锌原子加热有机框架来合成SA Zn-RuO2，形成具有氧空位（缺少积极改变性质的氧原子）和Zn-O-Ru键的结构。这些键以两种方式稳定催化剂：一种是通过加强Ru-O键，另一种是通过提供来自锌原子的电子来保护钌在OER过程中免受过度氧化。此外，钌原子周围改进的电子环境降低了分子粘附在表面所需的能量，从而降低了反应的能量势垒。

所得催化剂更稳定，反应性没有明显下降，性能明显优于商业RuO2。此外，它需要更少的额外能量（213 mV 的低过电位，而商业 RuO2 为 270 mV），并且保持功能的时间更长（43 小时，而商业 RuO2 为 7.4 小时）。

对可持续能源的影响

由于其改进的稳定性和特性，新提出的SA Zn-RuO2催化剂有可能影响OER高性价比、活性和耐酸电催化剂的开发。反过来，这可能有助于降低成本和提高绿色氢气的生产，有助于向更清洁的能源和可持续技术的进步转变。

“我们相信，这种转变可以彻底改变工业、交通和能源基础设施，并有助于应对气候变化和促进更具弹性和环保意识的未来。这是因为可获得的绿色氢气可以通过减轻环境影响、创造就业机会和通过多样化和可持续的能源解决方案确保能源安全，对社会产生变革性影响，“张教授设想道。

综上所述，用于酸性OER的高反应性和催化稳定性的RuO2催化剂具有更高的耐久性和良好的特性，在指导设计鲁棒性和活性的非铱基OER电催化剂的实际应用方面具有巨大的潜力！