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加错试剂却迎重大突破，我国科学家创造电解水制氢催化剂新纪录
西湖大学网站8月19日消息，近日，西湖大学孙立成教授团队在Nature Catalysis上发表了研究文章。他们开发了一种基于非均匀形核液相体系的催化剂制备工艺，即向溶液中人为引入不溶纳米颗粒，在常温、常压条件下通过简单浸泡法，一步合成非贵金属催化剂——CAPist-L1。
一款新型催化材料被浸在碱性水中，表面源源不断地产生气泡，它已经在安培级电流密度下稳定工作了19000小时。也就是说，两年多时间过去了，这个小小方块毫无衰退的迹象。
这是阴离子交换膜电解水制氢（AEM-WE）的实验现场。此前，AEM-WE技术受制于氧气析出反应（OER）催化剂难以在大电流密度下维持太久的难题，一直没有实现工业化。西湖大学人工光合作用与太阳能燃料中心（CAP）在这一材料上获得重大突破。经年累月的探索之后，实验中的一次意外，神奇地完成了“助攻”，成了上天眷顾的“临门一脚”。
催化剂测试装置有点像是夏日雪碧。西湖大学
CAPist-L1因制备工艺简单、成本低廉、可重复度高、易放大化制备且具备超高OER活性和稳定性，展现出优良的工业化应用前景。
文章截图
一次错误引发的突破
氢气，无疑是清洁、高效、可持续的能源。它的燃烧，只产生水，而且氢气燃烧产生的热量是天然气的2.56倍，是普通汽油的2.95倍。
氢原子无处不在，它只是被“束缚”在水中。自然界的光合作用就有把水“拆开”的魔力。
CAPist-L1，材料呈现多孔的透气结构
而孙立成团队二十多年来研究并模仿这种能力，在光合作用以及清洁能源的研究上实现了诸多突破。
孙立成教授
如Ru-bda新型催化剂的开发，解密光合作用“椅子魔术”的关键一环等等。
电解水制氢实验室一角
学过初中化学都知道，电解水可以产生氢气和氧气，但这个过程需要催化剂，否则会耗费极大的电能，根本不划算。
目前，低温电解水制绿色氢气技术主要分为：碱性电解槽电解水制氢（AWE）、质子交换膜电解水制氢（PEM-WE）、阴离子交换膜电解水制氢（AEM-WE）。
其中，AEM-WE集合了前两者的优点被寄予厚望。
通俗讲，AEM-WE系统由阴离子交换膜隔开，让氧气和氢气在不同的电极处产生，阳极催化剂那一侧产生氧气，阴极催化剂那一侧则产生氢气。
但是，阳极侧OER催化剂却难以在大电流密度条件下维持高活性和高稳定性。
而化学反应必须守恒，假设水变成两份氢气的话，同时也会生成一份氧气，所以，阳极催化剂的催化效率问题就限制了AEM-WE的发展。
而一次"错误"却带来的神奇的突破。
电解水实验装置（CAP）
2022年4月，彼时在CAP做博士后的李志恒在一次利用浸泡法制备镍铁基OER催化剂时不小心把乙醇（酒精）当作去离子水使用，结果发现在泡沫镍上长出来的催化剂OER性能居然非常不错，李志恒诧异之下他闻了闻加错的试剂，心想：我没喝酒，肯定是你“喝酒”了。
他们把样品拿到电镜下，发现这种催化剂如同花朵一样层层叠叠，孙立成教授当时就给它取名为“绣球花”。
CAPist-L1催化剂的“绣球花”结构
孙立成教授凭借经验判断，这种层叠结构很可能有不错的催化稳定性。
但为什么会这样？
这让李志恒非常困惑。
此时，另外一位博士后林高鑫加入，一起进行理论层面的探索。
通过查找文献知道，催化剂的原料之一硫酸亚铁溶于水，但却几乎不溶于乙醇。
研究团队猜测，正是这种难溶特性造成了硫酸盐在乙醇和水混合溶液中的析出，形成了含纳米级不溶颗粒物的非均匀形核液相体系，这为催化剂晶体的生长提供了最初的“核”。
其实，大自然深谙这个过程，例如雨、雪、冰雹等的形成，也需要诸如灰尘作为相变所需的“核”。
非均匀形核液相体系如何在泡沫镍基底上“生长”出催化剂
接下来的工作是优化制备方案，并在机制上进一步探明。
- 原标题：加错试剂却迎来重大突破｜西湖大学创造电解水制氢催化剂新纪录
- 责任编辑: 林铃锦
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