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在未來實現碳中和的道路上,氫能必將發揮越來越重要的作用,但無論是電解水製取氫、還是燃料電池,這些過程都需要使用合適的催化劑,它們才能真正發揮作用。目前使用的催化劑都是貴金屬,如氧化銥或鉑金顆粒,使用後無法進行回收利用,造成了浪費。
現在也有一些其他的催化劑進入了人們的視野,比如氧化鋅,但他們的效率比較低。現在維也納理工大學(TU Wien)和位於維納新州的彗星電化學和表面技術中心CEST的研究人員研究發現,通過研究催化劑晶體表面在原子尺度上的結構,可以顯著提高此類催化劑的有效性和穩定性。
晶體可以有不同的表面。Markus Valtiner解釋說:"一個立方體晶體,我們可以將其直接從中間切開,形成兩個立方體。或者可以進行精確地斜切,如45度角。在這兩種情況下,我們得到的切割面是不同的。不同的原子在切割面上的距離是不同的,因此,這些表面在化學過程中的表現也會有很大不同"。
氧化鋅晶體不是立方體形狀,而是形成蜂窩狀的六邊形,不過同樣的原理在這裡也適用。它的特性取決於表面原子的排列。"如果你選擇了恰到好處的表面角度,就會在那裡形成微觀上的小三角孔,直徑只有幾個原子大小,"Markus Valtiner說,"氫原子可以附著在那裡,發生化學過程,支持水的分裂,但同時也穩定了材料本身"。
研究團隊現在已經證明了這種穩定性。"在催化劑表面,水被分解成氫氣和氧氣。當這一過程進行時,我們可以採集液體樣品,檢查它們是否含有催化劑的痕跡,"Markus Valtiner解釋說。"要做到這一點,首先必須在等離子體中對液體進行強烈加熱,並將其分解成單個原子。然後我們在質譜儀中分離這些原子,並按元素進行分類。如果催化劑是穩定的,我們應該很難從催化劑材料中找到任何原子。事實上,當氫氣產生時,我們無法檢測到材料在原子三角結構上的任何分解"。這種穩定作用出乎意料地強。現在,該團隊正致力於使氧化鋅的效率更高,並將這種穩定的物理原理轉移到其他材料上。
原子表面結構在TU Wien已經研究了很多年。"在我們研究所,這些三角形結構在多年前就已經首次被證明和理論解釋,現在我們是第一個證明它們對電化學的重要性,"Markus Valtiner說。
"在未來十年,我們將基於方法學的發展和對表面化學和物理學的基本理解,開發出穩定的和商業上可行的水分解和二氧化碳減排系統,"論文第一作者Dominik Dworschak說。
論文標題為《Photocorrosion of ZnO Single Crystals during Electrochemical Water Splitting》。