然而，水分解系统需要非常有效的催化剂来加速化学反应，将水分解成氢气和氧气，同时防止气体重新结合回水中。现在，包括能源部SLAC国家加速器实验室科学家在内的国际研究团队已开发出一种新型催化剂，其钼涂层可防止这种有问题的反应，并在实际操作条件下运行良好。

开发的一个关键部分在于通过SLAC的斯坦福同步辐射光源(SSRL)，美国能源部科学用户设施办公室的实验，了解钼涂层的工作原理。科学家于4月13日在AngewandteChemie报道了他们的研究结果。

“当你将水分解成氢气和氧气时，反应的气态产物很容易重新组合回水中，避免这种情况至关重要，”首席作者，现任法国高等师范学院博士后研究员的AngelGarcia-Esparza说。。“我们发现钼涂层催化剂能够从水中选择性地生成氢气，同时抑制水形成的反应。”

Garcia-Esparza补充说，这些实验证明了它们的钼涂层策略在电催化和光催化装置中的应用。这些设备有助于利用电力或光线推动反应。

寻找稳定性

Garcia-Esparza在KAUST化学科学副教授KazuhiroTakanabe的指导下，作为沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学(KAUST)的研究生帮助开发了新的催化剂。在选择钼作为标准铂基催化剂的涂层之前，Takanabe的研究小组探索了许多不同元素的稳定性，性能和功能。

“找到一种在用于水分解的酸性电解液中工作良好的涂层对于我的合作者来说是一项重大挑战，因为许多材料在酸性条件下会迅速降解，”共同作者SLAC的科学家DimosthenisSokaras说。

他们测试了涂料，“钼是在酸性介质中，其中用于析氢的条件是有利的，并容易表现最好的材料，”加西亚-埃斯帕扎说明。

测试性能

另一个主要挑战是找到一种方法来测量其钼涂层催化剂的性质，因为这些钼化合物在暴露于空气时不稳定。“将催化剂从水中取出会扰乱材料的特性，”Garcia-Esparza说。“因此，有必要在工作条件下研究电催化剂，这很困难。”

因此，Garcia-Esparza花了一个夏天在SSRL进行电化学实验，以在操作条件下表征新催化剂。“我们的想法是共同研究钼涂层催化剂如何在其运行时进行并确定其电子结构，”Sokaras说。“我们想知道为什么不会发生反应。”

他们在SSRL的水电解过程中使用操作X射线吸收光谱法和定制的电化学电池测试了一种裸铂催化剂，有或没有钼涂层。“在SSRL，我们基本上能够在用同步辐射分析样品的同时进行电化学，”Garcia-Esparza说。“在SLAC进行的实验是确定氢气生产操作条件下电催化剂的局部结构和状态的最后一部分。”

“我们的研究结果支持钼层作为膜来阻止氧气和氢气进入铂表面附近，从而防止水的形成，”Sokaras说。

此外，研究小组还探索了光催化应用。他们使用锶钛氧化物上的铂标准催化剂(Pt/SrTiO3)或涂有钼的相同催化剂建立了光催化水分解系统。这两个系统都在KAUST进行了测试，开启和关闭了灯-也就是说，有无能源驱动水分解反应。

当灯亮时，标准的Pt/SrTiO3催化剂仅使氢气产量增加6小时，因为系统由于反应而失去效率。当灯关闭后，氢的量随着时间的推移而减少-证实大量的气体重新组合形成水。

相反，钼涂覆的催化剂连续分裂水以产生增加量的氢气24小时，在一天内产生约为标准催化剂的氢气的两倍。此外，氢的量在黑暗中保持稳定，证实涂层抑制了水的形成

这些结果很有希望，但在催化剂可用于实际装置之前仍需要做更多的工作。索卡拉斯说：“我认为我们实际上并没有真正谈论商用设备，但是这种新的催化剂材料可以防止反应，这肯定是一个巨大的进步。现在我们需要找到一种方法来使涂层更稳定因此它可以产生更长时间的氢气。“