99%效率又便宜！鐵基催化劑能否成為氫能生產的聖杯？

一項再生能源研究的重大突破，成功開發出一種成本低廉且高效的鐵基催化劑，用於水氧化反應。這項創新技術模仿了自然界的光合作用，同時克服了昂貴金屬催化劑的限制。新開發的聚合鐵複合物——poly-Fe5-PCz，展現出卓越的穩定性和近乎完美的法拉第效率，成為氫能生產的遊戲規則改變者。透過利用豐富的材料，這項研究為可擴充套件的永續能源解決方案鋪平了道路，可能徹底改變清潔能源儲存和工業氫氣生產。

水氧化是再生能源中的關鍵過程，特別是在氫能生產和人工光合作用中。透過將水分解為氧氣和氫氣，它提供了一種清潔且永續的能源來源。然而，在人工催化劑中複製自然光合作用的效率和穩定性——尤其是在水基環境中——仍然是一個重大挑戰。雖然由稀有金屬如釕製成的催化劑非常有效，但其高昂的成本和有限的供應使其在大規模應用中不切實際。

為瞭解決這一問題，由日本東京科學研究所的Mio Kondo教授領導的研究團隊，開發了一種更永續且負擔得起的催化系統，使用廣泛可得的金屬。他們的研究於今日（3月5日）發表在《自然通訊》期刊上，為推動清潔能源技術提供了一個有前景的替代方案。

該研究介紹了一種新型的五核鐵複合物——Fe5-PCz(ClO₄)₃，其具有多核複合物基的催化活性位點和電荷轉移位點的前驅體。Kondo解釋道：「透過電化學聚合這種多核鐵複合物，我們創造了一種聚合物基材料，增強了電催化活性和長期穩定性。這種方法結合了自然系統的優勢和人工催化劑的靈活性，為永續能源解決方案鋪平了道路。」

研究人員使用有機反應如溴化、親核取代、鈴木偶聯反應以及後續的複合反應，合成了Fe5-PCz(ClO₄)₃複合物。合成的複合物透過質譜、元素分析和單晶X射線結構分析進行了表徵。

研究人員隨後透過迴圈伏安法和控制電位電解法聚合Fe5-PCz，修飾了玻璃碳和氧化銦錫電極，從而獲得了一種聚合物基催化劑——poly-Fe5-PCz。透過電化學阻抗譜和氧氣生成反應（OER）實驗，分別評估了poly-Fe5-PCz的電荷轉移能力和電催化效能，並透過氣相色譜法量化了氧氣生成量。

結果非常令人振奮。Kondo解釋道：「Poly-Fe5-PCz在水介質中達到了高達99%的法拉第效率，這意味著幾乎所有施加的電流都貢獻於OER。該系統在嚴格的測試條件下也表現出卓越的穩健性和反應速率，與相關系統相比具有明顯優勢。」

此外，poly-Fe5-PCz展示了增強的能量儲存潛力和改進的電極相容性，使其適用於廣泛的再生能源應用。其高穩定性在長期控制電位實驗中得到了進一步確認，這是氫能生產和能源儲存技術的關鍵優勢。

這項研究的發現對永續能源具有重要意義。使用鐵——一種豐富且無毒的金屬——確保了該系統既環保又經濟實惠，為貴金屬基催化劑提供了一個可行的替代方案。其在操作條件下的穩定性解決了人工催化系統中的一個主要挑戰，即長期催化劑降解往往限制了效能。此外，該系統在水基環境中的效能使其適用於水分解應用。

最佳化poly-Fe5-PCz的合成和可擴充套件性可以進一步提升其效能，為工業規模的氫能生產和能源儲存鋪平道路。Kondo總結道：「我們的研究為將該系統整合到更廣泛的能源技術中開闢了新的可能性，邁向一個更永續的未來。」

參考文獻：Iron-Complex-Based Catalytic System for High-Performance Water Oxidation in Aqueous Media 5 March 2025, Nature Communications.DOI: 10.1038/S41467-025-57169-Y