帝国理工学院（Imperial College London）的研究人员在绿色氢气生产关键催化剂方面取得了新的认识，这一发现有望帮助推动绿色氢气的大规模应用。
绿色氢气是通过利用可再生电力电解水产生的，被认为是减少工业排放的核心技术之一。对于钢铁生产和重型运输等难以脱碳的行业来说，绿色氢气提供了为数不多的可行脱碳路径。
质子交换膜（PEM）电解槽是目前生产绿色氢气的主要技术之一。在这一系统中，关键步骤是析氧反应（Oxygen Evolution Reaction，OER），该反应需要在强酸性环境下进行。也就是说，在电解槽的阳极，水分子被分解生成氧气。然而，这一步长期以来一直是绿色氢气生产的效率瓶颈。
氧化铱（Iridium oxide）是极少数能够在这种强酸环境下同时保持高活性和高稳定性的材料之一。但铱是地球上最稀有的元素之一，其全球供应量有限，被认为是制约氢能规模化发展的重要障碍。
帝国理工学院材料系讲师 Reshma Rao 博士 表示：“没有任何一种技术能够讲述完整的故事。通过结合多种互补的实验方法，我们得以更清晰地揭示这一复杂催化界面的真实工作机制。”
如果要将绿色氢气生产规模扩大到太瓦级（terawatt level），就必须更高效地利用铱，甚至最终完全替代铱。而要实现这一目标，就需要理解当前最先进催化剂在实际运行时的原子尺度工作机制，而这一点此前一直不够清楚。
在发表于《Nature Materials》的一项研究中，来自帝国理工学院、曼彻斯特大学、牛津大学、哥本哈根大学以及英国 Diamond Light Source 同步辐射设施的研究团队，在真实运行条件下实时观察催化剂，揭示了氧气生成过程中催化剂表面发生的变化。
通过识别真正驱动反应的化学状态，该研究为设计更高效、更耐用的催化材料奠定了基础，这些材料可以更高效地利用铱，甚至在未来实现对铱的替代。
该研究负责人、帝国理工学院材料系 Reshma Rao 博士表示：“通过结合多种实验技术，我们能够更清晰地看到这一复杂催化界面在反应过程中的动态变化。”
研究团队利用帝国理工学院 Royce 研究设施的设备，结合光谱学、X射线技术以及电化学质谱技术，追踪催化剂在反应过程中的变化，并将材料化学状态的变化与氧气生成直接联系起来。
研究人员发现，不仅仅是铱金属中心在起作用。催化剂表面的氧原子会形成高度活性的物种，并直接参与反应过程。通过将这些活性物种的寿命与反应速率进行关联，研究团队成功确定了真正驱动析氧反应的关键因素。
帝国理工学院材料系电化学教授 Ifan Stephens 补充说：“虽然 Caiwu 和 Reshma 主导了这项研究，但这也是帝国理工学院、Diamond 光源和曼彻斯特大学之间的团队合作成果，这项工作属于我们由bp-ICAM 项目资助的绿色氢气催化研究。我们从这一模型催化剂中获得的见解，对理解工业中使用的氧化铱催化剂非常重要。”
该研究主要由 bp-International Centre for Advanced Materials（bp-ICAM） 资助，这是一个支持学术界与工业界合作研究的项目。
bp-ICAM 副主任 Mandar Thakare 表示：“ICAM92 团队通过结合原位（operando）表征技术，研究了 PEM 电解中氧化铱等催化剂的活性。这些研究成果有助于优化其运行性能。”
通过阐明氧化铱在真实运行条件下的行为，这项研究使该领域的研发从传统的试错式开发迈向机制驱动的设计。对催化剂表面活性状态的深入理解，将有助于科学家提出新的设计原则，从而开发出更高性能的绿色氢气生产材料。
帝国理工学院材料系研究员 梁财武（Caiwu Liang）博士表示：“能够在帝国理工学院材料系和 Diamond Light Source 等世界一流科研设施中，从事电化学、光谱学和理论研究的前沿工作，是我在帝国理工研究期间最令人振奋和收获最大的经历。”
随着全球对绿色氢气需求的不断增长，深入理解关键材料在运行过程中的行为将变得至关重要。研究团队希望，这项研究能够推动下一代电解槽技术的发展，实现更可持续、更大规模的氢气生产。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41563-026-02514-9
（素材来自：帝国理工学院 全球氢能网、新能源网综合）
热门跟贴