Science：钨酸钴捕获水-氢氧化物用于质子交换膜水电解

一、 【科学背景】  

析氧反应(OER)在一系列清洁能源储存和转化过程（电解水金属空气电池）中起着关键作用。这种四电子氧化反应需要连续的中间价态变化步骤，这使得催化循环的动力学变得十分复杂，并表现出缓慢的整体催化动力学。在质子交换膜水电解（PEMWE）中，贵金属通常是该反应稳定催化所必需的。由此产生的催化剂实现了较低的过电势，在2伏电压下电流密度为1.8安培/平方厘米，并且在工业条件（80°C）、1.77伏电压下在PEMWE系统中稳定运行高达1安培/平方厘米；活动能力提高三倍；并在每平方厘米1安培的电流下稳定运行600小时。西班牙巴塞罗那科技学院F. Pelayo García de Arquer团队报道了氢氧化水在钨酸钴中捕获用于质子交换膜电解，相关研究成果以 “Water-hydroxide trapping in cobalt tungstate for proton exchange membrane water electrolysis”为题目发表在国际顶级期刊Science上。

二、【科学贡献】

图1 水-氢氧化物捕集使PEMWE具有活性和稳定性。© 2024 Science

图2 水的捕集和氢氧化物的桥联。© 2024 Science

图3 OER机理—表征和DFT研究。© 2024 Science

图4 安培级的电化学性能和稳定的PEMWE。© 2024 Science

三、【 创新点】 

1．通过剥离钴钨酸盐，实现了在酸性环境中稳定氧化物和水-氢氧根网络的缺陷晶格，从而显著提高了催化剂的活性和耐久性。

2.在这项工作中，钨酸钴的分层通过稳定酸中晶格缺陷的氧化物和水-氢氧化物网络来实现高活性和耐久性。

四、【 科学启迪】

本研究针对质子交换膜水电解（PEMWE）中析氧反应（OER）的瓶颈问题，提出了一种新型的钨酸钴（CoWO₄）催化剂。通过层间剥离和水-氢氧根离子交换策略，该催化剂实现了高活性和耐久性，在酸性条件下具有较低的过电位，能够在1.77 V下稳定运行高达600 h，活性较以往非贵金属催化剂增长三倍。研究通过多种技术手段揭示了催化剂的稳定性和活性机制，为非贵金属催化剂在能源转换和存储领域的应用提供了新的可能性。未来研究将集中在催化剂溶解动力学、开发全地球丰度金属的PEMWE催化剂以及可回收系统。

原文详情：hitps://www science org/doi/10 1126/science adk9849