該團(tuán)隊(duì)結(jié)合了不同的光子光譜技術(shù)來(lái)了解這種新型材料在運(yùn)行過(guò)程中的情況。他們使用紅外拉曼光譜和 X 射線等技術(shù)來(lái)評(píng)估捕獲的水和羥基的存在，并深入了解它們?cè)谒嵝詶l件下水分解的活性和穩(wěn)定性方面的作用?！澳軌驒z測(cè)到捕獲的水對(duì)我們來(lái)說(shuō)真的很有挑戰(zhàn)性”，主要合著者 Anku Guha 博士繼續(xù)說(shuō)道?！笆褂美庾V和其他基于光的技術(shù)，我們最終發(fā)現(xiàn)樣品中有水。但這不是‘自由’水，而是封閉的水”；這對(duì)性能產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。基于這些見(jiàn)解，他們開(kāi)始與催化劑建模方面的專家密切合作?！坝捎跁?huì)發(fā)生大規(guī)模結(jié)構(gòu)重排，因此對(duì)活化材料進(jìn)行建模具有挑戰(zhàn)性。在這種情況下，活化處理中采用的分層會(huì)增加活性位點(diǎn)的數(shù)量并改變反應(yīng)機(jī)制，從而使材料更加活躍。要了解這些材料，需要在實(shí)驗(yàn)觀察和模擬之間進(jìn)行詳細(xì)的映射”，ICIQ 的 Núria López 教授說(shuō)道。他們的計(jì)算由主要合著者 Hind Benzidi 博士領(lǐng)導(dǎo)，對(duì)于了解分層材料在水的保護(hù)下如何不僅在熱力學(xué)上免受高酸性環(huán)境中的溶解，而且還具有活性至關(guān)重要。但是，這怎么可能呢？基本上，去除氧化鎢會(huì)在它之前的位置留下一個(gè)洞。這就是“魔法”發(fā)生的地方：介質(zhì)中大量存在的水和氫氧化物會(huì)自發(fā)填補(bǔ)這個(gè)空隙。這反過(guò)來(lái)又保護(hù)了樣品，因?yàn)榭梢云帘吴挼娜芙膺^(guò)程，有效地將催化劑成分結(jié)合在一起。然后，他們將分層的催化劑組裝到 PEM 反應(yīng)器中。初始性能確實(shí)非常出色，實(shí)現(xiàn)了比任何現(xiàn)有技術(shù)更高的活性和穩(wěn)定性?！拔覀儗㈦娏髅芏忍岣吡宋灞?，達(dá)到 1 A/cm2——這是該領(lǐng)域非常具有挑戰(zhàn)性的里程碑。但關(guān)鍵是，我們?cè)谌绱烁叩拿芏认乱矊?shí)現(xiàn)了超過(guò) 600 小時(shí)的穩(wěn)定性。因此，我們達(dá)到了非銥催化劑的最高電流密度和最高穩(wěn)定性”，主要合著者 Lu Xia 博士分享道。“在項(xiàng)目開(kāi)始時(shí)，我們對(duì)水本身在水電解中的潛在作用很感興趣，因?yàn)樗娊庵写嬖谝粋€(gè)顯而易見(jiàn)的問(wèn)題”，這項(xiàng)研究的第一作者、最初想法的發(fā)起人 Ranit Ram 解釋道?！耙郧皼](méi)有人以這種方式主動(dòng)定制水和界面水”。最終，事實(shí)證明這是一個(gè)真正的游戲規(guī)則改變者。盡管穩(wěn)定時(shí)間與目前的工業(yè) PEM 相比仍有差距，但這代表著朝著不依賴銥或類似元素邁出了一大步。特別是，他們的工作為水電解 PEM 設(shè)計(jì)帶來(lái)了新的見(jiàn)解，因?yàn)樗癸@了從另一個(gè)角度解決催化劑工程的潛力；通過(guò)積極利用水的特性。? ?邁向工業(yè)化
該團(tuán)隊(duì)看到了該技術(shù)的潛力，并已申請(qǐng)專利，旨在將其擴(kuò)大到工業(yè)生產(chǎn)水平。然而，他們意識(shí)到采取這一步驟并非易事，正如 García de Arquer 教授所指出的那樣：“鈷比銥更豐富，但考慮到它的來(lái)源，它仍然是一種非常麻煩的材料。這就是為什么我們正在研究基于錳、鎳和許多其他材料的替代品。如果有必要，我們將研究整個(gè)元素周期表。我們將與他們一起探索和嘗試我們?cè)谘芯恐袌?bào)告的這種設(shè)計(jì)催化劑的新策略。”
盡管肯定會(huì)出現(xiàn)新的挑戰(zhàn)，但團(tuán)隊(duì)堅(jiān)信這種分層工藝的潛力，他們都決心追求這一目標(biāo)。尤其是拉姆說(shuō)：“我實(shí)際上一直想推動(dòng)可再生能源的發(fā)展，因?yàn)樗鼘椭覀冏鳛橐粋€(gè)人類社會(huì)對(duì)抗氣候變化。我相信我們的研究為正確的方向邁出了一小步?！?/span>參考文獻(xiàn): Water-hydroxide trapping in cobalt tungstate for proton exchange membrane water electrolysis, Ranit Ram, Lu Xia, Hind Benzidi, Anku Guha, Viktoria Golovanova, Alba Garzón, Manjón, David Llorens Rauret, Pol Sanz Berman, Marinos Dimitropoulos, Bernat Mundet, Ernest Pastor, Verónica Celorrio, Camilo A. Mesa, Aparna M. Das, Adrián Pinilla-Sánchez, Sixto Giménez, Jordi Arbiol, Núria López, F. Pelayo García de Arquer, 2024, Science, https://doi.org/10.1126/science.adk9849? ?圖像
圖片說(shuō)明：從左到右：F. Pelayo García de Arquer、Marinos Dimitropoulos、Lu Xia、Aparna M. Das、Viktoria Holovanova、Anku Guha 和 Ranit Ram。
F. Pelayo García de Arquer，自 2021 年起擔(dān)任西班牙光子科學(xué)研究所 (ICFO) 教授兼CO2MAP部門(mén)組長(zhǎng)。發(fā)表了超過(guò)120 篇研究論文，包括 Science (7)、Nature (4)、Nature子刊 (>25)、Adv. Mat (23) 等。在2021-2024期間，獲得多項(xiàng)來(lái)自ERC，EIC以及工業(yè)界的大型項(xiàng)目資助。Arquer 教授的研究涵蓋光電和能源應(yīng)用納米結(jié)構(gòu)材料的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，在傳感和光發(fā)射、光伏以及水和二氧化碳電解領(lǐng)域取得了重要進(jìn)展，熱衷于培養(yǎng)下一代對(duì)綠色技術(shù)產(chǎn)生影響的科學(xué)家。夏路，于2022年博士畢業(yè)于德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)（2年破格畢業(yè)），于2023年加入西班牙光子科學(xué)研究所，并以滿分獲評(píng)歐盟“瑪麗-居里學(xué)者”，專注于通過(guò)“編程協(xié)議”訓(xùn)練預(yù)催化劑和開(kāi)發(fā)下一代膜電極組件 (MEA)，以及陽(yáng)極和陰極增值系統(tǒng)集成。在Science、Nature Nanotechnology、Nature Review Materials、Nature Review Chemistry等國(guó)際期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文。擔(dān)任CO2MAP部門(mén)項(xiàng)目組長(zhǎng)，主持多個(gè)歐盟項(xiàng)目。
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