加錯試劑，迎來電解水制氫催化劑新突破

西湖大學人工光合作用與太陽能燃料中心教授孫立成團隊開發了一種新型非貴金屬催化劑CAPist-L1的制備工藝，即向溶液中人為引入不溶納米顆粒，在常溫、常壓條件下通過簡單浸泡法，一步合成非貴金屬催化劑——CAPist-L1。日前，相關研究成果發表在《自然—催化》。

 CAPist-L1材料呈現多孔的透氣結構。課題組供圖

在清潔能源領域，氫氣因其清潔、高效和可持續性而備受關注。氫氣燃燒的產物僅為水，且其燃燒產生的熱量遠高于天然氣和普通汽油。目前低溫電解水制綠色氫氣技術主要分為：堿性電解槽電解水制氫、質子交換膜電解水制氫以及陰離子交換膜電解水制氫。其中，陰離子交換膜電解水制氫集合了前兩者的優點，被寄予厚望。

陰離子交換膜電解水制氫系統由陰離子交換膜隔開，讓氧氣和氫氣在不同的電極處產生。陽極催化劑那一側產生氧氣，陰極催化劑那一側則產生氫氣。但陽極側催化劑難以在大電流密度條件下維持高活性和高穩定性，因此陽極催化劑的催化效率問題就成了陰離子交換膜電解水制氫發展的關鍵。

CAPist-L1的發現源于一次實驗中的意外。2022年4月，博士后李志恒在制備鎳鐵基OER催化劑時，不小心將乙醇當作去離子水使用。意外的是，這個錯誤導致了在泡沫鎳上生長出的催化劑展現出了優異的OER性能。這種催化劑呈現出“繡球花”狀的層疊結構，孫立成教授憑借其豐富的經驗，判斷這種結構可能具有出色的催化穩定性。

隨后，研究團隊發現，催化劑的原料之一硫酸亞鐵幾乎不溶于乙醇，這種難溶特性導致了硫酸鹽在乙醇和水混合溶液中的析出，形成了含納米級不溶顆粒物的非均勻形核液相體系，為催化劑晶體的生長提供了最初的“核”。

研究團隊發現在催化層和金屬基底之間存在一層致密過渡層。這層過渡層將催化層牢牢地錨定在金屬基底上，提升了催化劑的活性和穩定性。更有趣的是，過渡層并非在催化劑形成初期產生，而是在浸泡4小時后才開始緩慢出現，這相當于先建了一棟房子然后再打地基，但卻十分牢固。

CAPist-L1在1000 mA cm^{^-2}的電流密度下已穩定運行超過19000小時，至今還未出現衰退的跡象。此外，研究團隊將CAPist-L1作為陽極催化劑應用于陰離子交換膜電解水制氫中，展現出優秀的制氫活性，即在1.8 伏的電壓下達到2000 mA cm^{^-2}的電流密度。這意味著陰離子交換膜電解水制氫技術的短板終于被補上了，研究為高效制造綠色氫氣提供了可能。

“這項研究不僅為陰離子交換膜電解水制氫技術的發展提供了關鍵的催化劑解決方案，也為其他類型催化劑的開發提供了新思路。”孫立成說。

CAPist-L1的命名來源于西湖大學人工光合作用與太陽能燃料中心（CAP），其中"ist"代表催化劑系列，"L1"取自兩位博士后李志恒和林高鑫姓氏的首字母，代表第一代催化劑。

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41929-024-01209-1