作为催化剂颗粒立方体优于球体

迄今为止，作为绿色氢催化剂的纳米粒子就像八分之一的赛艇运动员：研究人员只能衡量他们的平均表现，但无法确定哪一个是最好的。随着德国波鸿鲁尔大学电化学和纳米材料系主任KristinaTschulik教授领导的小组开发出一种新方法，这种情况现在发生了变化。

她与杜伊斯堡-埃森大学的研究人员合作，成功证明了立方体形状的氧化钴纳米粒子比球形粒子更有效。这为系统设计具有成本效益且高效的绿色氢催化剂铺平了道路。研究人员于2023年1月3日在AdvancedFunctionalMaterials杂志上报告了他们的发现。

如何使电解具有竞争力

为了应对气候变化，世界必须减少CO2排放。为此，今天广泛使用所谓的灰色氢，它是从石油和天然气中获得的，但人们正在努力用来自可再生资源的绿色氢来代替它。绿色氢可以通过电解产生，电解是一种利用电将水分解成氢和氧的过程。然而，要使电解成为一种有竞争力的方法，仍需要解决一些挑战。

目前，水分解过程的效率有限，而且还没有足够强大、耐用和具有成本效益的催化剂。“目前，最活跃的电催化剂是基于稀有且昂贵的贵金属铱、钌和铂，”Tschulik说道。“因此，作为研究人员，我们的工作是开发不含贵金属的新型高活性电催化剂。”

她的研究小组研究比人类头发小一百万倍的贱金属氧化物纳米粒子形式的催化剂。它们以工业规模制造，形状、大小和化学成分各不相同。“我们使用测量来检查所谓的催化剂墨水，其中数十亿个颗粒与粘合剂和添加剂混合，”Tschulik概述道。

这种方法只允许研究人员测量平均性能，但不能测量单个粒子的活动——这才是真正重要的。“如果我们知道哪种粒子形状或晶面——指向外的表面——最活跃，我们就可以专门生产具有这种精确形状的粒子，”波鸿鲁尔大学分析化学博士后研究员HatemAmin博士说。

纳米粒子竞赛的获胜者

该研究小组开发了一种直接分析溶液中单个粒子的方法。这使他们能够比较不同纳米材料的活性，以了解颗粒特性(例如它们的形状和组成)对水分解的影响。

“我们的结果表明，单个立方体形式的氧化钴颗粒比球体更活跃，因为后者总是有几个其他不太活跃的面，”研究人员说。

理论证实实验

波鸿集团的实验结果得到了以杜伊斯堡-埃森大学的RossitzaPentcheva教授为首的合作伙伴的证实，该合作伙伴是协作研究中心/Transregio247的一部分。后者的理论分析表明活性催化剂区域发生了变化，即来自钴被氧原子包围形成八面体的原子到被四面体包围的钴原子。

“我们对颗粒形状和活性之间相关性的洞察为基于知识的可行催化剂材料设计奠定了基础，从而为我们的化石能源和化学工业向基于可再生能源和高活性的循环经济转型奠定了基础，持久的催化剂，”Tschulik总结道。