可再生能源研究的突破導(dǎo)致了一種經(jīng)濟(jì)高效的水氧化鐵基催化劑的開(kāi)發(fā)。

　　這一創(chuàng)新模擬了自然光合作用，同時(shí)克服了昂貴金屬催化劑的局限性。新開(kāi)發(fā)的聚合鐵絡(luò)合物poly-Fe5-PCz具有卓越的穩(wěn)定性和近乎完美的法拉第效率，使其成為氫氣生產(chǎn)的游戲規(guī)則改變者。通過(guò)利用豐富的材料，該研究為可擴(kuò)展的、可持續(xù)的能源解決方案鋪平了道路，這些解決方案可以改變清潔能源儲(chǔ)存和工業(yè)制氫。

　　利用水分解技術(shù)開(kāi)發(fā)可再生能源

　　水分解是可再生能源的一個(gè)關(guān)鍵過(guò)程，特別是在制氫和人工光合作用方面。通過(guò)將水分離成氧和氫，它提供了一種清潔和可持續(xù)的能源。然而，在人工催化劑中復(fù)制自然光合作用的效率和穩(wěn)定性——特別是在水基環(huán)境中——仍然是一個(gè)主要的挑戰(zhàn)。雖然由釕等稀有金屬制成的催化劑非常有效，但它們的高成本和有限的供應(yīng)使它們不適合大規(guī)模應(yīng)用。

　　為了克服這個(gè)問(wèn)題，由日本東京科學(xué)研究所（Science Tokyo）的近藤美雄教授領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)研究小組，利用廣泛可用的金屬，開(kāi)發(fā)了一種更可持續(xù)、更實(shí)惠的催化系統(tǒng)。他們的研究發(fā)表在3月5日的《自然通訊》雜志上，為推進(jìn)清潔能源技術(shù)提供了一個(gè)有希望的替代方案。

　　五核鐵催化劑介紹

　　該研究引入了一種新的五核鐵配合物Fe5-PCz(ClO?)?，它具有基于多核配合物的催化活性位點(diǎn)和電荷轉(zhuǎn)移位點(diǎn)的前體部分。

　　近藤解釋說(shuō)：“通過(guò)電化學(xué)聚合這種多核鐵配合物，我們創(chuàng)造了一種聚合物基材料，增強(qiáng)了電催化活性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。這種方法結(jié)合了自然系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)和人工催化劑的靈活性，為可持續(xù)能源解決方案鋪平了道路。”

　　催化劑的合成和表征

　　研究人員利用溴化、親核取代、鈴木偶聯(lián)反應(yīng)和隨后的絡(luò)合反應(yīng)等有機(jī)反應(yīng)合成了Fe5-PCz(ClO?)?。通過(guò)質(zhì)譜分析、元素分析和單晶X射線結(jié)構(gòu)分析對(duì)合成的配合物進(jìn)行了表征。

　　然后，研究人員通過(guò)循環(huán)伏安法和控制電位電解聚合Fe5-PCz來(lái)修飾玻碳和氧化銦錫電極，從而獲得基于聚合物的催化劑poly-Fe5-PCz。

　　通過(guò)電化學(xué)阻抗譜和析氧反應(yīng)（OER）實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)了聚Fe5-PCz的電荷轉(zhuǎn)移能力和電催化性能，并用氣相色譜法定量了產(chǎn)氧量。

　　卓越的性能和穩(wěn)定性

　　近藤解釋道：“Poly-Fe5-PCz在水介質(zhì)中達(dá)到99%的法拉第效率，這意味著幾乎所有施加的電流都貢獻(xiàn)給了OER。”

　　與相關(guān)系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)在嚴(yán)格的測(cè)試條件下也表現(xiàn)出優(yōu)異的魯棒性和反應(yīng)速率。

　　此外，poly-Fe5-PCz表現(xiàn)出增強(qiáng)的能量存儲(chǔ)潛力和改進(jìn)的電極兼容性，使其適用于廣泛的可再生能源應(yīng)用。長(zhǎng)期可控電位實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí)了其高穩(wěn)定性，這是制氫和儲(chǔ)能技術(shù)的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)。

　　對(duì)可持續(xù)能源的啟示

　　這項(xiàng)研究的發(fā)現(xiàn)對(duì)可持續(xù)能源具有重要意義。鐵是一種豐富、無(wú)毒的金屬，它的使用確保了該系統(tǒng)既環(huán)保又具有成本效益，為貴金屬催化劑提供了一種可行的替代品。它在運(yùn)行條件下的穩(wěn)定性解決了人工催化系統(tǒng)的主要挑戰(zhàn)，在人工催化系統(tǒng)中，長(zhǎng)期使用中發(fā)生的催化劑降解通常會(huì)限制其性能。此外，該系統(tǒng)在水環(huán)境中的性能使其適合于水裂解應(yīng)用。

　　近藤總結(jié)道：“優(yōu)化poly-Fe5-PCz的合成和可擴(kuò)展性可以進(jìn)一步提高其性能，為工業(yè)規(guī)模的制氫和儲(chǔ)能鋪平道路。”

　　“我們的研究為將該系統(tǒng)整合到更廣泛的能源技術(shù)中開(kāi)辟了新的可能性，為更可持續(xù)的未來(lái)鋪平了道路。”

　　（素材來(lái)自：Science Tokyo 全球氫能網(wǎng)、新能源網(wǎng)綜合）