Amorphous Ce0.5Fe0.5O1.75/NIO electrocatalyst synthesized by hydrothermal method and wet impregnation for enhanced oxygen evolution reaction
本研究报道了一种在镍泡沫上通过水热法合成的非晶态 Ce0.5Fe0.5O1.75/NiO 异质结构，该结构通过利用 d-f 轨道耦合和界面电荷再分配来优化中间体吸附与电子传输，从而在碱性淡水中表现出卓越的析氧反应性能和耐久性。
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世界正在寻找一种既能为未来提供动力又不会烧毁地球的方法。其中最受期待的解决方案之一是氢气，这是一种可以通过电解水分子来制造的清洁燃料。这种被称为水电解的过程非常高效，并且能很好地与风能和太阳能等可再生能源配合使用。然而，将氧气从水中分离出来的反应过程极其缓慢且难以加速。它就像化学过程中的一个交通堵塞，需要大量的额外能量才能启动。为了解决这个问题，科学家们设计了被称为电催化剂的特殊材料，它们附着在电极上，帮助反应发生得更快，并减少能量浪费。目标是找到一种既便宜、坚固又在执行这项工作时极其高效的材料，从而使生产绿氢成为大规模工业化的现实。
在最近的一项研究中，研究人员创造了一种新型催化剂，通过将铈（cerium）和铁（iron）这两种特定的金属混合到一种独特的非晶态结构中，来解决这一问题。他们将这种材料直接构建在多孔金属泡沫上，该泡沫作为反应的坚固骨架。团队首先通过高压水工艺在泡沫上生长了一层氧化铈层，然后利用浸渍技术将铁加入其中。最后，他们对材料进行了快速加热和冷却，这一步骤防止了原子沉降成刚性的、有序的图案。结果是一种柔软的非晶态涂层，看起来像是覆盖在金属表面上的微小且相互重叠的鱼鳞。这种原子的排列方式——即原子是无序而非锁定在晶格中的——被证明是其高性能的关键。
在基础碱性溶液中进行测试时，这种新型催化剂在驱动产氧反应方面表现出了极高的效率。为了将反应速度推向每平方厘米 100 毫安电流的高速，该材料仅需 309 毫伏的额外推动能量（即过电位）。相比之下，标准的商业材料如二氧化�（ruthenium dioxide）在达到相同结果时需要更高的 376 毫伏推动力，这显示出了显著的改进。这种新型催化剂还表现出了良好的稳定性，连续运行超过 200 小时后仍未明显丧失其工作能力。相比之下，起始材料或更简单的催化剂版本表现明显较差，这表明铈与铁在无序状态下的特定组合对于成功至关重要。
这种高效性背后的秘密在于原子之间是如何“交流”的。在大多数金属中，驱动反应的电子存在于相对孤立的特定轨道中。在这种新材料中，铈原子引入了一种能与铁原子产生强烈相互作用的不同类型的轨道。这种相互作用创造了一种类似于电子桥梁的东西，使电子能够更自由地移动，并改变了材料在反应过程中保持氧原子的方式。这种催化剂不再采用通常的步骤——即水分子粘附在表面然后释放氧气——而是允许其自身结构内部的氧原子直接参与其中。这种内部氧路径速度更快，避开了减慢其他催化剂速度的瓶颈。此外，材料的无序性质意味着它拥有更多可供反应发生的暴露位点，且催化剂与金属泡沫之间的界面有助于电子以极低的阻力快速跳跃。
通过仔细调节添加铁的量，并利用快速冷却过程来保持其非晶态结构，研究人员创造出了一种能够完美平衡反应中间体结合能力的材料。它对中间体的抓取程度恰到好处：既能使其发生反应，又不会因抓得太紧而导致卡顿。这种平衡使得反应能够以近乎完美的能量效率进行。该研究证实，这种结合了简单制造方法与巧妙电子设计的策略，为实现更经济、更具规模化的氢气生产提供了一条可行路径。该材料不依赖稀有或昂贵的金属，且其长期工作的能力表明它能够承受工业环境下的严苛条件，使广泛应用绿氢的梦想离现实更近了一步。
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