如图所示为钛氧化物催化剂  图片来源：卧龙岗大学    

植物通过光合作用捕获阳光以及将水分解成氢气和氧气的能力一直令科学家们为之着迷，科学家们试图复制这一过程以捕获氢气作为可再生和可持续的燃料来源。

尽管有这样的发展希望，但大规模使用氢气的过程受到成本和效率的限制，因为第一步这个制备过程需要能量的输入来扭转结合了氧气和氢气的反应。

方法之一：电解法。电解法是通过在水中插入两个电极而将电流施加到水上，从而破坏氢原子和氧原子之间的化学键。

在燃料电池中这个过程释放出的氢气可被捕获并转化为电能，在这个过程中唯一副产物是热量和水。

科学家目前面临的挑战是如何找到一种高效的催化剂来驱动电解，使电解过程所需的能量比从所得到的氢气中获得的能量要少。

棘手的问题是：当电流施加时，电解中使用的材料开始腐蚀，这就需要使用贵金属，例如铂，金或银。这些昂贵的稀有金属通常用于电子，医药和化学反应的催化剂。

催化剂挑战

卧龙岗大学超导和电子材料研究所(ISEM)高级研究员Yi Du博士表示，工业规模水分解的最大挑战是寻找高效，物丰价廉的电催化剂，这种催化剂可以降低将水分解成氢气所需的电压。

“水是一种清洁的能源，可以持续使用。如果我们能够降低分解水所需的能量的话，那么水就是液化石油气的有发展前景的替代品。” Yi Du博士说。

“一般来说，几乎没有一种电催化剂可以使氢气的生产成本效益足够低，从而使氢气的生产实现商业化。”

Yi Du博士的ISEM团队与中国北京航空航天大学的研究人员合作，他们使用低成本的金属材料合作开发了一种高性能的电催化剂，并证实了其适用于水分解。

图为科研工作中的博士研究生Haifeng Feng和Long Ren，他们负责制造新型水分解催化剂

钛氧化物是矿石，沙土和土壤中常见的白色粉末，通常用作防晒剂，化妆品，油漆和粘合剂等产品中的颜料。

尽管钛具有优异的耐腐蚀性和导电性，但其氧化物是绝缘体，研究人员一直认为它不适合用作电催化剂。

Yi Du博士的团队制备了单晶氧化钛，并在真空室中除去了其表面上的所有氧原子，留下了便宜且易于生产的导电，耐用且高效的催化剂材料

“与传统的催化剂相比，导电氧化钛需要很少的能量的输入就可以驱动电解水分解过程。”Yi Du博士说。

“通过在材料表面引入大量的氧空位，我们可以优化其物理和化学性质，使其可用于水分解。我们已经证明，基于钛的一系列物丰价廉和化学稳定的材料在水分解中是具有光明的发展前景的电催化剂，这可以大大降低电解生产氢气技术的成本并加速该技术的大规模使用。”

零污染排放能源的潜力

如果为反应供电的电能也来自可再生能源，那么该过程有可能接近于能源中性。

“有很多应用可以使用这种燃料，其中最有前途的应用是用大规模的水分离技术来为能源需求高的工厂供电。”Yi Du博士说。

氢气可以通过燃料电池转化为电能，燃料电池可以在氢气和氧气存在下连续运行。

“使用太阳能电池收集能量为该过程提供动力也是一种可持续生产氢的有前景的方式，而且是零污染排放，用于氢燃料电池汽车的运输。”

虽然利用花园的水管为汽车提供燃料看起来像科幻小说，但Yi Du博士说根据氢气方程式来看生产方面存在的根本挑战是成本和效率。

“目前最大的挑战仍然是催化剂的成本问题，这就是为什么我们需要开发出一种高效廉价的催化剂，可以有效地将水转化为氢气。”

这项工作最近在“ACS Catalysis”期刊上发表，这项工作基于与北航大学通过北航UOW联合研究中心的合作。