从化石燃料到清洁氢经济的转变将需要更便宜和更有效的方法来使用可再生能源将水分解成氢气和氧气。然而，这一过程中的一个关键步骤，即析氧反应或OER，已被证明是一个瓶颈。今天，它的效率只有75%左右。用于加速反应的贵金属催化剂，如铂和铱，既稀有又昂贵。
现在，由斯坦福大学和能源部SLAC国家加速器实验室的科学家领导的国际团队开发了一套先进的工具来突破这一瓶颈，改进其他与能源相关的过程，例如寻找锂离子电池快速充电的方法。研究小组今天在《自然》描述了他们的工作。
他们在SLAC斯坦福大学、美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)和英国沃里克大学工作，能够放大单个催化剂纳米粒子——，其形状像一个小平板，比红细胞小大约200倍，并观察到它们加速定制电化学电池中氧气的产生，包括适合一滴水的电池。
他们发现大部分催化活性发生在粒子的边缘。当他们提高电压来驱动反应时，他们能够在十亿分之一米的尺度上观察到粒子和周围电解质之间的化学相互作用。
通过将他们的观察结果与之前与SLAC和斯坦福大学界面科学与催化研究所合作进行的计算相结合，他们能够识别出限制反应速度的单个步骤。
斯坦福大学和SLAC斯坦福材料和能源科学研究所的科学家泰勒梅福德说：“这种方法可以告诉我们这些电催化材料在实际操作条件下的工作场所、内容和原因。”。领导研究。“现在我们已经概述了如何使用这个平台，应用非常广泛。”
向氢经济扩张
通过电将水分解成氧气和氢气的想法可以追溯到1800年，当时两名英国研究人员发现，他们可以利用亚历山德罗沃尔特(Alessandro Volta)新发明的反应堆电池产生的电流为反应提供动力。
这个过程被称为电解，它的工作原理类似于反向电池：它不是发电，而是用电将水分解成氢气和氧气。产生氢气和氧气的反应在不同的电极上使用不同的贵金属催化剂进行。
氢气是合成氨和炼钢的重要化工原料，正日益成为重型运输和长期储能的清洁燃料。然而，今天生产的氢气95%以上来自天然气，二氧化碳作为副产品通过反应排放。太阳能、风能等可持续能源驱动的电解水制氢，将在很多重要行业大幅减少碳排放。
然而，为了从水中大规模生产氢燃料，为绿色经济提供动力，科学家们必须使水分解反应的另一半(产生氧气的反应)更加有效，并找到一种方法，通过使用基于比现在使用的更便宜和更富金属的催化剂来使其工作。
梅福德说：“世界上没有足够的贵金属来推动我们所需规模的反应，它们的成本如此之高，以至于它们产生的氢气永远无法与化石燃料产生的氢气竞争。”
改进工艺需要对水分解催化剂的操作模式有更好的了解，足够详细，以便科学家可以预测可以采取什么措施来改进它们。到目前为止，用于这些观察的许多最佳技术还没有在电催化反应器的液体环境中起作用。
在这项研究中，科学家们找到了几种方法来克服这些限制，获得比以往任何时候都更清晰的图像。
一种监测催化剂的新方法
他们选择研究的催化剂是羟基氧化钴，它以平面六方晶体的形式出现，称为纳米片。边缘尖锐且极薄，很容易区分反应发生在边缘还是平面。
大约十年前，沃里克大学的帕特里克昂温(Patrick Unwin)的研究团队发明了一种新技术，可以将微型电化学电池放入从移液管尖端伸出的纳米级液滴中。当液滴与表面接触时，该设备以非常高的分辨率对表面形貌以及电子和离子电流进行成像。
在这项研究中，昂温的团队修改了微型设备，使其在析氧反应的化学环境中工作。当反应发生时，博士后研究人员康敏京和卡梅伦本特利将它从一个地方移到另一个地方，穿过一个催化剂颗粒的表面。
“我们的技术使我们能够大规模研究极小的反应区域，”在那里领导实验的康说。“我们正在研究比典型技术小1亿倍以上的制氧规模。”
他们发现，与催化材料的情况一样，只有边缘在积极促进反应，这表明未来的催化剂应该充分发挥这种尖锐而薄的特点。
与此同时，斯坦福大学(Stanford university)和西门子(SIMES)的研究员安德鲁阿克巴舍夫(Andrew Akbashev)利用电化学原子力显微镜来识别和可视化催化剂在运行过程中如何改变形状和尺寸，并发现将催化剂改变到其活性状态的初始反应与之前的假设有很大不同。不是质子离开催化剂进行活化，而是氢氧离子首先插入催化剂，在颗粒内部形成水并使其膨胀。随着活化过程，水和残留的质子被驱回。
在第三组实验中，该团队使用了伯克利实验室的先进光源
David Shapiro 和 Young-Sang Yu 以及华盛顿公司 Hummingbird Scientific 合作开发了一种电化学流通池，该流通池可以集成到扫描透射 X 射线中显微镜。这使他们能够在直径小至约 50 纳米的区域内绘制出工作催化剂的氧化态——一种与催化活性相关的化学状态。“我们现在可以开始将我们在这项工作中开发的技术应用于其他电化学材料和工艺，”梅福德说。“我们还想研究其他与能源相关的反应，例如电池电极的快速充电、用于碳捕获的二氧化碳还原和氧气还原，这使我们能够在燃料电池中使用氢气。”
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