該團隊結合了不同的光子光譜技術來了解這種新型材料在運行過程中的情況。他們使用紅外拉曼光譜和 X 射線等技術來評估捕獲的水和羥基的存在，并深入了解它們在酸性條件下水分解的活性和穩定性方面的作用。“能夠檢測到捕獲的水對我們來說真的很有挑戰性”，主要合著者 Anku Guha 博士繼續說道。“使用拉曼光譜和其他基于光的技術，我們最終發現樣品中有水。但這不是‘自由’水，而是封閉的水”；這對性能產生了深遠的影響。基于這些見解，他們開始與催化劑建模方面的專家密切合作。“由于會發生大規模結構重排，因此對活化材料進行建模具有挑戰性。在這種情況下，活化處理中采用的分層會增加活性位點的數量并改變反應機制，從而使材料更加活躍。要了解這些材料，需要在實驗觀察和模擬之間進行詳細的映射”，ICIQ 的 Núria López 教授說道。他們的計算由主要合著者 Hind Benzidi 博士領導，對于了解分層材料在水的保護下如何不僅在熱力學上免受高酸性環境中的溶解，而且還具有活性至關重要。但是，這怎么可能呢？基本上，去除氧化鎢會在它之前的位置留下一個洞。這就是“魔法”發生的地方：介質中大量存在的水和氫氧化物會自發填補這個空隙。這反過來又保護了樣品，因為可以屏蔽鈷的溶解過程，有效地將催化劑成分結合在一起。然后，他們將分層的催化劑組裝到 PEM 反應器中。初始性能確實非常出色，實現了比任何現有技術更高的活性和穩定性。“我們將電流密度提高了五倍，達到 1 A/cm2——這是該領域非常具有挑戰性的里程碑。但關鍵是，我們在如此高的密度下也實現了超過 600 小時的穩定性。因此，我們達到了非銥催化劑的最高電流密度和最高穩定性”，主要合著者 Lu Xia 博士分享道。“在項目開始時，我們對水本身在水電解中的潛在作用很感興趣，因為水電解中存在一個顯而易見的問題”，這項研究的第一作者、最初想法的發起人 Ranit Ram 解釋道。“以前沒有人以這種方式主動定制水和界面水”。最終，事實證明這是一個真正的游戲規則改變者。盡管穩定時間與目前的工業 PEM 相比仍有差距，但這代表著朝著不依賴銥或類似元素邁出了一大步。特別是，他們的工作為水電解 PEM 設計帶來了新的見解，因為它凸顯了從另一個角度解決催化劑工程的潛力；通過積極利用水的特性。? ?邁向工業化
該團隊看到了該技術的潛力，并已申請專利，旨在將其擴大到工業生產水平。然而，他們意識到采取這一步驟并非易事，正如 García de Arquer 教授所指出的那樣：“鈷比銥更豐富，但考慮到它的來源，它仍然是一種非常麻煩的材料。這就是為什么我們正在研究基于錳、鎳和許多其他材料的替代品。如果有必要，我們將研究整個元素周期表。我們將與他們一起探索和嘗試我們在研究中報告的這種設計催化劑的新策略。”
盡管肯定會出現新的挑戰，但團隊堅信這種分層工藝的潛力，他們都決心追求這一目標。尤其是拉姆說：“我實際上一直想推動可再生能源的發展，因為它將幫助我們作為一個人類社會對抗氣候變化。我相信我們的研究為正確的方向邁出了一小步。”參考文獻: 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? ?圖像
圖片說明：從左到右：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 年起擔任西班牙光子科學研究所 (ICFO) 教授兼CO2MAP部門組長。發表了超過120 篇研究論文，包括 Science (7)、Nature (4)、Nature子刊 (>25)、Adv. Mat (23) 等。在2021-2024期間，獲得多項來自ERC，EIC以及工業界的大型項目資助。Arquer 教授的研究涵蓋光電和能源應用納米結構材料的設計和實現，在傳感和光發射、光伏以及水和二氧化碳電解領域取得了重要進展，熱衷于培養下一代對綠色技術產生影響的科學家。夏路，于2022年博士畢業于德國亞琛工業大學（2年破格畢業），于2023年加入西班牙光子科學研究所，并以滿分獲評歐盟“瑪麗-居里學者”，專注于通過“編程協議”訓練預催化劑和開發下一代膜電極組件 (MEA)，以及陽極和陰極增值系統集成。在Science、Nature Nanotechnology、Nature Review Materials、Nature Review Chemistry等國際期刊發表學術論文。擔任CO2MAP部門項目組長，主持多個歐盟項目。
