一组研究人员在开发用于氧释放反应(OER)的经济高效的催化剂方面取得了重大进展，氧释放反应是水分解和金属空气电池等技术的关键组成部分。

通过将铬(Cr)掺入过渡金属氢氧化物中，他们利用密度泛函理论(DFT)计算和实验合成相结合的方法证明了催化活性的增强。他们的研究成果于2024年8月30日发表在《ACS催化》杂志上。

近年来，通过电解水制氢已成为储存风能和太阳能等间歇性可再生能源的有前途的解决方案。然而，电解过程中的关键半反应OER因反应速度慢而受到阻碍，需要高活性和稳定的催化剂来提高效率。

论文共同作者、东北大学高级材料研究所(WPI-AIMR)的李浩表示：“铬掺杂在加速金属氢氧化物向活性羟基氧化物相的相变中起着至关重要的作用，这对于提高OER效率至关重要。”

李教授团队采用水溶胶-凝胶法合成了一种FeCoNiCr氢氧化物催化剂，保证了四种元素的均匀分布。制备的催化剂在碱性介质中的过电位低至224mV，比同类催化剂高出52mV，并且在连续使用150小时以上仍能保持稳定性。

此外，采用FeCoNiCr催化剂组装的锌空气电池可稳定运行160小时，保持0.70V的低放电/充电电压差。理论模型证实，Cr掺杂优化了OER中间体在活性位点的吸附能，显著提高了反应效率。

李补充说：“我们的计算表明，铬掺杂可以微调活性位点周围的电子环境，使反应更加高效。”Bader电荷分析进一步表明，镍和钴在OER过程中保持有利的+3氧化态，这有利于持续的催化活性。

展望未来，该团队计划通过探索可以进一步优化催化剂性能的其他元素来扩大研究范围。“这项工作为我们提供了一种快速筛选材料和设计更好催化剂的方法，”WPI-AIMR特聘助理教授、论文合著者张迪说。

“我们的目标是创造更高效、更耐用的催化剂，以加速清洁能源技术的应用，尤其是氢气生产。”

随着全球对清洁能源解决方案的需求不断增长，开发经济高效的催化剂对于推进可再生能源系统至关重要。

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