新策略增强金属纳米粒子在绿色氢气生产中的稳定性

高效耐用的低成本催化剂对于绿色氢气生产和相关化学燃料生产至关重要，这两项技术都是向可再生能源过渡的关键技术。该领域的研究越来越侧重于金属出溶反应，以制备性能得到改善的催化剂

由Forschungszentrum Jülich与国际机构合作领导的一项新研究揭示了氧化物材料中的氧空位如何影响此类材料表面金属纳米粒子的稳定性，这对催化剂性能至关重要。发表在《自然通讯》上的研究结果揭示了提高催化剂耐久性和使绿色氢气生产更具竞争力的实用策略

该研究侧重于金属出溶过程，这是一种相对较新的过程，其中金属掺杂剂最初是氧化物材料中氧化物晶格的一部分，在热还原过程中释放出来，在氧化物表面形成纳米粒子。这些纳米粒子与氧化物基质结合，产生了对催化电化学反应至关重要的高活性界面，例如用于绿色氢气生产的水分解

研究人员证明，氧空位——氧化物晶格中缺少氧原子的缺陷——在纳米粒子的稳定性中起着关键作用。例如，在燃料电池和电解槽中使用的具有高浓度氧空位的氧化物在高温下表现出纳米颗粒表面迁移率的增加，这是操作的典型特征，导致它们聚结成更大的颗粒

这种聚结降低了活性位点的密度，从而降低了催化剂的效率。相反，氧空位浓度较低的氧化物会稳定纳米颗粒，防止聚结并随着时间的推移保持催化活性

该团队还确定了一种简单而有效的方法来减轻这些影响。将水蒸气引入反应环境会略微增加氧分压，减少氧化物和纳米颗粒之间界面处的氧空位数量

这种调整增强了纳米粒子的稳定性，延长了催化剂的耐久性。此外，改变氧化物材料的组成以固有地降低氧空位浓度为实现长期稳定性提供了另一种可行的方法

这些发现对可再生能源系统的发展具有重大意义。Exsolution催化剂被认为是替代传统材料的有前景的候选者，特别是在固体氧化物电池中

固体氧化物电池对于生产绿色氢气（储存和运输的重要能源载体）和以最高效率将其转化为电能至关重要。催化剂的耐久性直接影响这些装置的经济性和操作可行性

尽管金属出溶反应为开发具有增强性能的催化剂提供了一种有前景的方法，但这些催化剂的有限耐久性——在操作条件下容易发生结构和化学降解——仍然是其在绿色能源技术中实际应用的一大障碍。通过解决纳米粒子聚结的问题，这项研究可以提高这些新型催化剂的可行性

该研究通过调整反应条件和材料成分，为提高催化剂的耐久性提供了可行的策略，是可再生能源技术发展的重要一步 More information: Moritz L. Weber et al, Thermal stability and coalescence dynamics of exsolved metal nanoparticles at charged perovskite surfaces, Nature Communications (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-54008-4

Journal information: Nature Communications