常规的用于水电解产生氢气的催化剂通常由贵金属构成，使其成本相当高。然而，出现了一些更实惠的选择，比如钴锰催化剂，显示出卓越的活性和长期稳定性。促成这些特性的关键元素是锰。长时间以来，锰的重要角色的原因仍然是一个谜。最近的研究终于揭开了其背后的机制。
氢气是一种重要的能源载体，可以通过水电解得到，尤其依赖于掺锰的钴尖晶石电催化剂。尽管这一效率令人瞩目，但其原因之前仍不清楚。
用于通过水电解生产氢气的传统催化剂通常涉及贵金属，导致成本高昂。幸运的是，更具经济性的替代方案如钴锰催化剂已投入使用。这些催化剂不仅表现出高活性，而且在较长的时间内也具有稳定性。锰的存在对这些特性至关重要，但其关键角色在很长一段时间内并未被理解。来自德国多所机构的研究人员，包括鲁尔大学波鸿、马克斯·普朗克可持续材料及化学能量转换研究所、于利希研究中心和杜伊斯堡-埃森大学，现已揭示了这一机制。他们的研究成果于2024年10月7日发表在期刊《先进能源材料》上。
多种方法的协同作用导致重要突破
通过施加电压，水被分解为氢气和氧气，其中氧气演化反应是限制因素。因此，科学家们正在寻找最有效的催化剂用于这一阶段。通常，钴电催化剂在特定的几何结构，即尖晶石结构的配置下，不仅效率低下，而且缺乏长期稳定性。幸运的是，随着锰的加入，这种情况戏剧性地改变。
研究团队采用多种技术仔细检查水电解过程中催化剂表面发生的相互作用。在“液相中异质氧化催化的协同研究中心247”框架下，他们从不同的角度观察了表面过程。“整合来自多个机构的资源，使我们能够利用多种方法探讨电极表面相互作用，而这一组合证明是关键的，”鲁尔大学波鸿的同李教授表示，她负责原子尺度特征化。作为原子探针断层成像的专家，她利用该技术结合透射电子显微镜、X射线精细结构吸收和X射线光电子能谱视觉化材料的原子分布。
锰的行为：类似于公交乘客的移动
研究团队发现，在反应过程中锰从钴尖晶石表面溶解，并随后重新附着。“这就像一个在公交车上不断上下车的乘客，”同李教授解释道。
