催化剂中的‘缺陷’提升绿色制氢性能

巴西新型能源创新中心（Center for Innovation on New Energies，CINE）在期刊《Electrochimica Acta》上发表的一项研究显示，来自巴西圣保罗州坎皮纳斯州立大学（State University of Campinas）的科研团队采用了一种简便的方法——在材料中引入结构缺陷，成功显著提升了低成本催化剂的性能。CINE 是由巴西圣保罗研究基金会（FAPESP）与壳牌（Shell）公司于2018年共同成立的应用研究中心，依托单位包括坎皮纳斯州立大学、圣保罗大学（University of São Paulo）和圣卡洛斯联邦大学（Federal University of São Carlos），并联合了巴西另外八家科研机构参与。

目前，利用可再生能源进行水分解是实现最低碳排放制氢的最有效方法。在这一过程中，同时发生两种反应，分别产生氧气和氢气。

高效的水分解过程依赖于性能优良的催化剂，尤其是析氧反应（Oxygen Evolution Reaction，OER），该反应动力学缓慢，是制约整体效率的关键步骤。目前，催化材料的成本约占最终氢气生产总成本的20%–30%，因此，开发高效、低成本的催化剂已成为重要的科学挑战。

CINE 团队选择了一类被称为“普鲁士蓝类似物”（Prussian Blue Analogues, PBA）的材料作为研究对象。这类材料由金属原子和称为氰基（cyanide）的化学基团构成，所含元素在地壳中储量丰富、成本较低。然而，其催化性能受限于活性位点浓度较低的问题。研究人员采用了一种电化学方法，在外加电能驱动下诱发化学反应，从而去除材料中的部分氰基，在晶体结构中引入空位缺陷。项目负责人、坎皮纳斯州立大学化学研究所（IQ-UNICAMP）教授兼 CINE 研究员Juliano Bonacin表示：“乍一看，这些由空位引入的‘缺陷’似乎是不利因素，但实际上它们反而带来了积极效果。材料结构发生轻微改变，形成了更多有利于关键化学反应发生的活性空间。”

随后，这些经“激活”的材料被用作析氧反应的催化剂。实验结果显示，其性能得到了显著提升：缺陷浓度提高30%的催化剂，析氧量比原始材料提高了32%。此外，研究人员还利用巴西国家同步辐射光源实验室（LNLS）的先进表征技术，对催化剂中的空位缺陷进行了深入分析。LNLS隶属于巴西能源与材料研究中心（CNPEM），相关研究有助于阐明性能提升背后的作用机制。

Bonacin指出，本研究开发的催化剂为低碳氢能的大规模制备提供了一个极具潜力的方向，但目前尚未开展实验室以外的应用测试。他表示：“尽管距离实际应用仍有一定差距，但这些结果已经展示了一条通往更低成本、更可持续工业技术的切实可行路径。”

该研究获得了FAPESP通过七个项目（14/50867-3、17/50085-3、18/25092-9、18/25207-0、19/00063-9、19/24445-8 和 21/05976-2）的资助，同时也得到了壳牌公司、巴西国家科学与技术发展委员会（CNPq）以及巴西国家石油、天然气与生物燃料局（ANP）的支持。

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0013468625006887?via%3Dihub

（素材来自：巴西新型能源创新中心 全球氢能网、新能源网综合）