帝國理工揭示氧化銥催化機理，為綠氫電解槽效率提升提供新思路

帝國理工學院（Imperial College London）的研究人員在綠色氫氣生產關鍵催化劑方面取得了新的認識，這一發現有望幫助推動綠色氫氣的大規模應用。

綠色氫氣是通過利用可再生電力電解水產生的，被認為是減少工業排放的核心技術之一。對于鋼鐵生產和重型運輸等難以脫碳的行業來說，綠色氫氣提供了為數不多的可行脫碳路徑。

質子交換膜（PEM）電解槽是目前生產綠色氫氣的主要技術之一。在這一系統中，關鍵步驟是析氧反應（Oxygen Evolution Reaction，OER），該反應需要在強酸性環境下進行。也就是說，在電解槽的陽極，水分子被分解生成氧氣。然而，這一步長期以來一直是綠色氫氣生產的效率瓶頸。

氧化銥（Iridium oxide）是極少數能夠在這種強酸環境下同時保持高活性和高穩定性的材料之一。但銥是地球上最稀有的元素之一，其全球供應量有限，被認為是制約氫能規模化發展的重要障礙。

帝國理工學院材料系講師 Reshma Rao 博士 表示：“沒有任何一種技術能夠講述完整的故事。通過結合多種互補的實驗方法，我們得以更清晰地揭示這一復雜催化界面的真實工作機制。”

如果要將綠色氫氣生產規模擴大到太瓦級（terawatt level），就必須更高效地利用銥，甚至最終完全替代銥。而要實現這一目標，就需要理解當前最先進催化劑在實際運行時的原子尺度工作機制，而這一點此前一直不夠清楚。

在發表于《Nature Materials》的一項研究中，來自帝國理工學院、曼徹斯特大學、牛津大學、哥本哈根大學以及英國 Diamond Light Source 同步輻射設施的研究團隊，在真實運行條件下實時觀察催化劑，揭示了氧氣生成過程中催化劑表面發生的變化。

通過識別真正驅動反應的化學狀態，該研究為設計更高效、更耐用的催化材料奠定了基礎，這些材料可以更高效地利用銥，甚至在未來實現對銥的替代。

該研究負責人、帝國理工學院材料系 Reshma Rao 博士表示：“通過結合多種實驗技術，我們能夠更清晰地看到這一復雜催化界面在反應過程中的動態變化。”

研究團隊利用帝國理工學院 Royce 研究設施的設備，結合光譜學、X射線技術以及電化學質譜技術，追蹤催化劑在反應過程中的變化，并將材料化學狀態的變化與氧氣生成直接聯系起來。

研究人員發現，不僅僅是銥金屬中心在起作用。催化劑表面的氧原子會形成高度活性的物種，并直接參與反應過程。通過將這些活性物種的壽命與反應速率進行關聯，研究團隊成功確定了真正驅動析氧反應的關鍵因素。

帝國理工學院材料系電化學教授 Ifan Stephens 補充說：“雖然 Caiwu 和 Reshma 主導了這項研究，但這也是帝國理工學院、Diamond 光源和曼徹斯特大學之間的團隊合作成果，這項工作屬于我們由bp-ICAM 項目資助的綠色氫氣催化研究。我們從這一模型催化劑中獲得的見解，對理解工業中使用的氧化銥催化劑非常重要。”

該研究主要由 bp-International Centre for Advanced Materials（bp-ICAM） 資助，這是一個支持學術界與工業界合作研究的項目。

bp-ICAM 副主任 Mandar Thakare 表示：“ICAM92 團隊通過結合原位（operando）表征技術，研究了 PEM 電解中氧化銥等催化劑的活性。這些研究成果有助于優化其運行性能?！?/p>

通過闡明氧化銥在真實運行條件下的行為，這項研究使該領域的研發從傳統的試錯式開發邁向機制驅動的設計。對催化劑表面活性狀態的深入理解，將有助于科學家提出新的設計原則，從而開發出更高性能的綠色氫氣生產材料。

帝國理工學院材料系研究員 梁財武（Caiwu Liang）博士表示：“能夠在帝國理工學院材料系和 Diamond Light Source 等世界一流科研設施中，從事電化學、光譜學和理論研究的前沿工作，是我在帝國理工研究期間最令人振奮和收獲最大的經歷?！?/p>

隨著全球對綠色氫氣需求的不斷增長，深入理解關鍵材料在運行過程中的行為將變得至關重要。研究團隊希望，這項研究能夠推動下一代電解槽技術的發展，實現更可持續、更大規模的氫氣生產。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41563-026-02514-9

（素材來自：帝國理工學院 全球氫能網、新能源網綜合）