铱基纳米材料如何为绿色未来做出贡献？

瑞士万通墙报奖于 29 年前的电分析化学会议（ELACH）期间设立的，现已成为长期传统奖项近期一次颁奖是在德国柏林举行的“电化学 2022"会议上，共两位获奖者。这次会议的主题是 "化学与物理的结合"，吸引了 600 多名电化学学科的科学家参加。2022 年电化学大会为与会者提供了一个探索前沿趋势和应用的平台，并分享了在传感器技术、能量存储、二氧化碳还原、光电化学、生物电化学、电合成、腐蚀、电分析化学和电催化等重要领域取得的进展。

2022年瑞士万通墙报奖获奖者

共有 300 多份墙报进行了展示，墙报委员会（科学小组成员）认真评选出了前两名。获奖者将在颁奖仪式上获得每人 500 欧元的奖金。

Marko Malinović（达姆施塔特工业大学）和 Gumaa A El-Nagar 博士（柏林亥姆霍兹中心）

二氧化碳、气候变化和汽车

实施减缓气候变化的战略至关重要。过量的二氧化碳排放已经对区域气候造成了影响，导致自然灾害更加频繁地发生，造成不可避免的人员伤亡。

交通对石化燃料严重依赖， 2021 年产生的二氧化碳排放量占总排放量的 37%^[1]。尽管道路上行驶的电动汽车越来越多，但仍需要更多的环保技术解决方案来应对二氧化碳减排的挑战。

当前，氢动力汽车作为部分解决方案受到广泛关注。氢动力汽车以燃料电池技术为基础，氢气（与氧气反应）产生汽车所需的电力，副产物只有水和热量。尽管这听起来很理想，但只有使用可再生能源生产的氢才能被认为是符合减排战略的。2020 年，德国总共生产了 57 TWh的氢气，其中1/3来自石化燃料，因此与高二氧化碳排放量直接相关^[2。在环球范围内，从被称为 "绿色氢能 "的可再生能源中提取的氢气比例不足 1%，这表明，要想对气候变化产生影响，必须将重点转移。 

电解水

使用电解水制氢可减少二氧化碳的排放。水分裂所需热量的电能由可再生能源提供，从而生产出绿色氢气。

在工业规模生产的各种电解技术中，碱性水电解和聚合物电解质膜（PEM）水电解非常常用^[3]。与石化燃料的实际价格波动相比，绿色氢气在成本上具有相当竞争力，在某些地方甚至比从石化燃料中提取的氢气更便宜。

这就提出了以下问题： 是什么阻碍了这项技术在环球氢气生产中占据更大份额？

绿色氢能能否在未来实现交通领域的去碳化？

为了回答这个问题，我们将重点关注 PEM 水电解。PEM水电解可以在动态条件下运行，从而实现与可再生能源的耦合。末了，多余的电能可以以氢的形式储存起来。

电解水由两个半反应组成，分别是阴极析氢Hydrogen evolution reaction（HER）和阳极析氧Oxygen evolution reaction（OER）（图 1）。

尽管氢气是理想的产品，但该工艺的瓶颈在于缓慢的 OER，这直接影响了水电解的整体效率。高电位用于克服 OER 的动力学问题，而 OER 与聚合物电解质膜产生的酸性环境在电池中创造了恶劣的条件，从而限制了该反应催化剂的选择，目前催化剂主要是贵金属。

铱，代价不菲的折中方案

在已研究的几种材料中，铱基催化剂是催化活性和耐久性相平衡的非常适合的方案^[4]。然而，其高昂的价格是普及的主要问题所在。据估计，铱的年供应量约为7吨，是世界上非常稀缺的金属之一 ^[5]。数量少，加上供需趋势不稳定以及与采矿地点有关的不可抗力因素，这些都反映在铱的价格上。2023年，铱的价格飙升至每公斤约 15万欧元^[6]。

考虑到铱的高昂成本和不可预知的可用性，科学界面临的一大挑战是如何在保持高性能和耐用性的同时，减少 PEM中使用的铱基催化剂的负载量。有趣的是，Bernt 等人^[7] 计算出，如果要在 2100 年之前使用氢动力汽车实现交通领域的去碳化，铱的特定功率密度必须比目前降低 50 倍。

可持续能源转换的纳米材料

这一挑战为Marko Malinović开展研究提供了动力。设计一种用量少、高效耐用的铱基催化剂并非易事。针对这一挑战，文献报道了大量催化剂设计（图 1），包括金属铱单质、金属氧化物、混合金属氧化物、核壳结构、浸出氧化物和纳米结构材料 [8]。Marko的研究重点是氧化铱材料，因为与金属材料相比，它们不仅具有类似金属的导电性，还能提高耐用性。

为了确保催化剂的非常大的能效，Marko 的研究旨在合成具有高表面体积比的纳米材料，因为催化剂的表面才能起到催化作用。尽管无定形氧化铱（IrO₂）以其对 OER 的不凡活性而著称，但其耐久性仍不足以确保长时间工作^[9]。温度大于等于400 °C时获得的结晶氧化铱对催化剂的稳定性有积极影响^[10]。然而，高煅烧温度不可避免地会导致催化活性表面积的减少。

Ledendecker 研究小组为此开发了新型合成路线，即使在高温热处理后仍能保持粒度和形态 ^[11]。这种方法的独特之处在于，提高耐久性并不以牺牲催化活性表面积为代价。因此，保证了非常大限度地利用催化剂。

下一步行动

 贵金属的用量需要进一步减少。这可以通过引入一种富土材料作为核心材料来实现，然后在核心材料上镀上一层薄薄的氧化铱，从而形成一种被称为 "核壳 "的结构（图 1）^[12]。

选择合适的核心材料会对活性氧化铱外壳的终电化学特性产生至关重要的影响。除了内核和外壳材料之间的热力学相容性，内核材料必须满足条件是其金属导电性和在酸性介质中的耐腐蚀性^[13]。考虑到非贵金属在 PEM运行条件下的耐腐蚀性值得怀疑，这项任务非常艰巨，是Marko 未来研究计划中的重点。

相关仪器型号：

VIONIC 电化学工作站