氢(H2)是一种很有前途的减少温室气体的燃料，特别是如果它是通过使用可再生能源来分解水分子(H2O)而产生的。虽然把水分解成氢和氧看起来很简单，但化学过程却很复杂。
两个独立的同时发生的电化学反应都需要催化剂，化学“交易撮合者”来帮助打破和重建化学键。现在，美国能源部(DOE)布鲁克海文国家实验室和哥伦比亚大学的科学家们表示，他们已经开发出一种新的高效催化剂，用于更具挑战性的部分:析氧反应。
正如刚刚发表在《美国化学学会杂志》上的一篇论文所描述的那样，这种催化剂是根据理论计算“自下而上”设计的，旨在最大限度地减少铱(一种用作催化材料的昂贵金属)的用量，并最大限度地提高催化剂在酸性条件下的稳定性。
当团队创建催化剂模型并在实验室进行测试时，结果验证了预测。然后，科学家们制作了一种粉末形式的催化剂，就像工业应用中使用的那样，并证明它可以在水分解电解槽中有效地产生氢。
“在现实世界的测试中，我们的催化剂比市面上最先进的铱催化剂要好四倍，”哥伦比亚大学化学工程师陈景光说，他在布鲁克海文实验室化学部门共同任职，领导了这项研究。换句话说，新催化剂产生氢气的速度比商业品种少四倍的铱，或者在相同数量的铱下产生氢气的速度比商业品种快四倍。
布鲁克海文实验室理论化学家刘平领导了支撑催化剂设计的计算，他说:“这项研究表明，你如何从理论驱动的理解原子水平上发生的事情，到设计实际使用的催化剂。我们的工作使我们更好地了解了这种催化剂的工作原理，并使我们更接近实际应用。”
剩下的挑战是扩大生产规模。
“我们每批只生产几毫克的催化剂，”陈说。“如果你想制造数百万吨的绿色氢，你需要数公斤或数吨的催化剂。我们还不能大规模生产。”
铱是析氧反应的催化剂，它发生在电解槽的阳极。它提供了带电的活性位点，将紧密结合的氢离子(H+)与氧离子(O)分离开来。除了释放氢离子(会导致酸性反应条件)外，该反应还会产生氧气(O2)和电子。这些电子是第二个不那么具有挑战性的“析氢”反应所需要的:氢离子在电解槽的阴极配对形成氢气。
“铱目前是酸中析氧反应中唯一稳定的元素之一，”陈说。他指出，这是“不幸的”，因为“铱比铂更稀有，也更昂贵。”
因此，减少铱含量的动机。
“在由纳米级粒子制成的工业催化剂中，只有表面的原子参与反应，”陈说。“这意味着粒子内部的大部分铱都被浪费了。”
研究小组认为，也许不用全是铱的粒子，而可以用一种更便宜的材料制成催化剂，这种材料只在表面含有铱。
该团队一直在探索利用地球上丰富的元素，如钛。他们发现，钛与氮的结合为这些“氮化钛”提供了足够的稳定性，使其在酸性反应条件下存活下来。也许氮化钛可以作为铱包覆催化颗粒的核心。
但是应该在上面分层多少铱呢?这就是理论计算的由来。
刘说:“我们使用‘密度泛函理论’计算来模拟在酸性析氧反应条件下，氮化钛上铱的不同覆盖层如何影响催化剂的稳定性和活性。”她和她的团队利用布鲁克海文实验室的功能纳米材料中心(CFN)和美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室的国家能源研究科学计算中心(NERSC)的计算资源进行模拟。
计算预测，一层铱不足以驱动析氧反应，但两层或三层将提高性能和催化稳定性。
“这是一种预筛选实验，”刘说。“然后，我们将这些筛选结果转交给实验团队，以制造真正的催化剂并评估其催化活性。”
首先，研究小组制作了薄膜，他们可以在薄膜上制作出精心控制的层，这些层与理论建模计算中使用的表面非常相似。他们还制作了由纳米级小颗粒组成的粉末状样品，这种形式的催化剂将在工业应用中采用。然后，他们使用各种技术研究薄膜——包括层与层之间的界面——和纳米颗粒。
其中包括CFN的透射电子显微镜和国家同步加速器光源II (NSLS-II)的快速x射线吸收和散射(QAS)光束线的x射线光谱学研究，这是一个用于破译样品化学和物理性质的明亮x射线源。
“我们的假设是，如果铱与氮化钛结合，这种结合将稳定铱并改善反应，”陈说。
特征研究证实了这些预测。
Chen说:“同步加速器研究揭示了反应条件下铱和钛原子的氧化态和局部配位环境。”“他们证实了铱和钛之间的强烈相互作用。”
他补充说:“在CFN上绘制纳米颗粒的元素图，确认了颗粒的大小和组成，包括氮化钛支撑表面上氧化铱的存在。”
刘强调，表征研究使科学家对催化剂有了更深入的了解。
她说:“我们发现铱和钛之间的相互作用不仅有助于催化剂的稳定性，而且有助于微调其活性。”“电荷在某种程度上改变了化学反应，从而改善了反应。”
她解释说，具体来说，从钛转移到铱表面的电荷改变了铱活性位点的电子结构，从而优化了反应中间体的结合。
刘指出:“从一层到三层铱，你可以显著增加从氮到顶层铱的电荷转移。”但是两层和三层之间的差别并不是很大。两层可能足以实现高稳定性、活动性和低成本。
为了使这种催化剂能够在现实世界中使用，科学家们指出，除了应对扩大生产规模的挑战外，还可以改进以优化粉末的一致性。
“当我们制作薄膜时，我们可以控制层，但在粉末合成中，我们没有那种控制，”陈说。“我们的粉末颗粒周围没有连续的铱壳。但这项研究为工业化学家提供了指导，他们可以用一层均匀的铱薄层来制造真正的核壳结构。”
这种催化剂可以帮助降低水分解的成本，并使科学家更接近于生产大量的绿色氢。
