该团队结合了不同的光子光谱技术来了解这种新型材料在运行过程中的情况。他们使用红外拉曼光谱和 X 射线等技术来评估捕获的水和羟基的存在，并深入了解它们在酸性条件下水分解的活性和稳定性方面的作用。“能够检测到捕获的水对我们来说真的很有挑战性”，主要合著者 Anku Guha 博士继续说道。“使用拉曼光谱和其他基于光的技术，我们最终发现样品中有水。但这不是‘自由’水，而是封闭的水”；这对性能产生了深远的影响。基于这些见解，他们开始与催化剂建模方面的专家密切合作。“由于会发生大规模结构重排，因此对活化材料进行建模具有挑战性。在这种情况下，活化处理中采用的分层会增加活性位点的数量并改变反应机制，从而使材料更加活跃。要了解这些材料，需要在实验观察和模拟之间进行详细的映射”，ICIQ 的 Núria López 教授说道。他们的计算由主要合著者 Hind Benzidi 博士领导，对于了解分层材料在水的保护下如何不仅在热力学上免受高酸性环境中的溶解，而且还具有活性至关重要。但是，这怎么可能呢？基本上，去除氧化钨会在它之前的位置留下一个洞。这就是“魔法”发生的地方：介质中大量存在的水和氢氧化物会自发填补这个空隙。这反过来又保护了样品，因为可以屏蔽钴的溶解过程，有效地将催化剂成分结合在一起。然后，他们将分层的催化剂组装到 PEM 反应器中。初始性能确实非常出色，实现了比任何现有技术更高的活性和稳定性。“我们将电流密度提高了五倍，达到 1 A/cm2——这是该领域非常具有挑战性的里程碑。但关键是，我们在如此高的密度下也实现了超过 600 小时的稳定性。因此，我们达到了非铱催化剂的最高电流密度和最高稳定性”，主要合著者 Lu Xia 博士分享道。“在项目开始时，我们对水本身在水电解中的潜在作用很感兴趣，因为水电解中存在一个显而易见的问题”，这项研究的第一作者、最初想法的发起人 Ranit Ram 解释道。“以前没有人以这种方式主动定制水和界面水”。最终，事实证明这是一个真正的游戏规则改变者。尽管稳定时间与目前的工业 PEM 相比仍有差距，但这代表着朝着不依赖铱或类似元素迈出了一大步。特别是，他们的工作为水电解 PEM 设计带来了新的见解，因为它凸显了从另一个角度解决催化剂工程的潜力；通过积极利用水的特性。迈向工业化
该团队看到了该技术的潜力，并已申请专利，旨在将其扩大到工业生产水平。然而，他们意识到采取这一步骤并非易事，正如 García de Arquer 教授所指出的那样：“钴比铱更丰富，但考虑到它的来源，它仍然是一种非常麻烦的材料。这就是为什么我们正在研究基于锰、镍和许多其他材料的替代品。如果有必要，我们将研究整个元素周期表。我们将与他们一起探索和尝试我们在研究中报告的这种设计催化剂的新策略。”
尽管肯定会出现新的挑战，但团队坚信这种分层工艺的潜力，他们都决心追求这一目标。尤其是拉姆说：“我实际上一直想推动可再生能源的发展，因为它将帮助我们作为一个人类社会对抗气候变化。我相信我们的研究为正确的方向迈出了一小步。”参考文献: Water-hydroxide trapping in cobalt tungstate for proton exchange membrane water electrolysis, Ranit Ram, Lu Xia, Hind Benzidi, Anku Guha, Viktoria Golovanova, Alba Garzón, Manjón, David Llorens Rauret, Pol Sanz Berman, Marinos Dimitropoulos, Bernat Mundet, Ernest Pastor, Verónica Celorrio, Camilo A. Mesa, Aparna M. Das, Adrián Pinilla-Sánchez, Sixto Giménez, Jordi Arbiol, Núria López, F. Pelayo García de Arquer, 2024, Science, https://doi.org/10.1126/science.adk9849图像
图片说明：从左到右：F. Pelayo García de Arquer、Marinos Dimitropoulos、Lu Xia、Aparna M. Das、Viktoria Holovanova、Anku Guha 和 Ranit Ram。
F. Pelayo García de Arquer，自 2021 年起担任西班牙光子科学研究所 (ICFO) 教授兼CO2MAP部门组长。发表了超过120 篇研究论文，包括 Science (7)、Nature (4)、Nature子刊 (>25)、Adv. Mat (23) 等。在2021-2024期间，获得多项来自ERC，EIC以及工业界的大型项目资助。Arquer 教授的研究涵盖光电和能源应用纳米结构材料的设计和实现，在传感和光发射、光伏以及水和二氧化碳电解领域取得了重要进展，热衷于培养下一代对绿色技术产生影响的科学家。夏路，于2022年博士毕业于德国亚琛工业大学（2年破格毕业），于2023年加入西班牙光子科学研究所，并以满分获评欧盟“玛丽-居里学者”，专注于通过“编程协议”训练预催化剂和开发下一代膜电极组件 (MEA)，以及阳极和阴极增值系统集成。在Science、Nature Nanotechnology、Nature Review Materials、Nature Review Chemistry等国际期刊发表学术论文。担任CO2MAP部门项目组长，主持多个欧盟项目。
