铱基催化剂有望提高绿色制氢效率

由风能和太阳能驱动的氢气生产如果要在通过储能的清洁转型中发挥作用并帮助难以电气化的行业脱碳，那么它仍然过于昂贵。降低成本的大量努力集中在通过提高铱基催化剂的性能来提高生产效率，铱基催化剂可以加速将水分解成其组成部分氢和氧所涉及的电化学反应中与氧相关的部分。

对该领域状况的新审查讨论了其最近的进展和挑战，并确定了在此类催化剂实现商业可行性之前需要填补的研究空白。

该评论论文发表在《纳米研究能源》杂志上。

清洁生产的氢气对于摆脱化石燃料的过渡至关重要，以避免危险的气候变化，既可以作为单独使用的能源载体，也可以作为合成燃料的组成部分，用于长途航运和航空等难以电气化的经济部分。

但是，这种清洁的氢气生产 - 通过电解进行，使用电力将水分解成其成分元素氢和氧 - 是极其耗能的。这种电解的能量强度反过来又使氢气的清洁生产非常昂贵，因此与化石燃料没有竞争力。

如果这还不够挑战，那么使用风能和太阳能作为清洁电力的来源来为电解提供动力 - 一种称为“绿色氢”的制氢形式 - 给电解槽带来了沉重的负担，因为这些能源是间歇性的。太阳并不总是闪耀，风并不总是吹。

这意味着有时几乎没有电流，而在其他时候，可能会有大的电流峰值，这会给电解槽带来压力，再次推高成本。然而，质子交换膜水电解器(PEMWE)在这里是一个非常有前途的选择，因为PEMWE可以在高电流密度下工作，例如这些尖峰造成的电流密度。

电解是由两部分或“半反应”组成的化学反应。一种是产生氢气的析氢反应(HER)，另一种是产生氧气的析氧反应(OER)。但实际上，后一种反应对于整个过程的能源效率以及清洁氢气的生产最为重要。

因此，为了降低能源需求，从而降低清洁生产氢气的成本，许多研究都集中在工艺的开放式教育资源部分的优质催化剂(加速化学反应的化学物质)上，并与PEMWE搭配良好。

然而，PEMWEs在酸性环境中的严重腐蚀使得大多数非贵金属基催化剂(例如使用钴、镍或铁)不稳定。但铱基催化剂在这些恶劣的酸性条件下表现出更好的催化稳定性。

最近的一些研究报告了用于绿色制氢的铱基催化剂的开发取得了重大进展，包括使用新的合成方法以及优化催化剂结构和组成。

然而，要充分发挥铱基催化剂在绿色制氢方面的潜力，仍存在一些研究挑战。一个主要挑战是铱的高成本，而高成本正是新型催化剂所要避免的。

“为了克服这个问题，研究人员正在探索新的合成方法和替代催化剂材料，可以替代铱或减少所需的铱量，”扬州大学化学化工学院的Chunyun Wang说。“最近出现了一些新颖有效的选择，例如氧化铱，钙钛矿，焦绿石和单原子催化剂。

“因此，我们认为是时候停下来，用一篇评论论文评估铱基催化剂在绿色制氢方面的应用状态，”以色列Ariel大学的化学家，该评论论文的合著者Alex Schechter补充道。“这样做的好处是可以在许多不同的研究团队中汇集信息，并且至关重要的是，确定研究差距。

本文特别关注催化的工作原理(催化机理)、催化剂设计以及催化剂合成策略。特别是，该分析着眼于影响其催化过程促进的催化剂的不同属性，包括几何效应、电子效应、协同效应、缺陷工程和支持效应，以及不同的研究团队如何处理每种选择以试图提高性能。

几何效应本质上描述了催化剂分子的形状、结构和大小，包括其哪些晶平面暴露在外，以及原子排列如何有序或无序排列。所有这些都会显著影响催化剂的性能。电子效应是指与相关分子相关的电子结构。

协同效应是指两种或多种成分结合在一起，产生比单独使用任何一种成分更好的结果。缺陷工程涉及通过空隙、位错、空位等来设计催化剂的表面化学——故意引入缺陷——以增加可能发生化学反应的地方(活性位点)的数量。载体效应来自与催化剂相互作用并支持催化剂的金属。

审稿人在调查他们的领域后得出结论，提高铱基催化剂性能的最成功策略包括缺陷工程、调整协同效应和改变几何效应。通过构建多孔结构并为催化剂引入促进质量和电子转移的载体，可以增加暴露活性位点的数量。增强的金属-载体相互作用可以提高催化剂的长期稳定性。

尽管取得了相当大的研究成功，但该领域仍然面临挑战。已经开发出许多高性能铱基催化剂，但大多数只能在实验室中以几克甚至数百毫克的小规模合成。因此，必须简化复杂的制备过程。

此外，与实际的催化系统相比，实验室条件有点过于理想，因此现实世界的条件需要成为任何后续研究的一部分。这包括研究实际的电解槽温度、电流密度和产品输送等方面，以便能够评估实际应用中的性能催化剂。

除了催化剂本身之外，其他组件也需要优化，包括开发具有高耐腐蚀性和低成本的电极板，具有高质子传输能力的质子交换膜。

然而，审稿人强调，这些挑战都不是用于绿色制氢的铱基催化剂的交易破坏因素。相反，这些代表了新研究的可能途径，这些研究可能会带来这一过程实现商业可行性所需的突破。

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