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本網訊（國際有序物質科學研究院）近日，我校國際有序物質科學研究院廖偉強研究員與中山大學、蘇州大學等科研人員通力合作，在《鐵電化學》的指導下，利用分子鐵電材料實現循環可再生高效裂解水制氫。研究成果以“Recyclable Molecular Ferroelectrics to Harvest Mechanical Energy for Sustained Hydrogen Generation”為題發表在Journal of the American Chemical Society上。

在氫能產業迅猛發展的當下，傳統制氫方法正面臨催化劑耐久性問題的嚴峻挑戰。具體而言，蒸汽重整工藝中的催化劑易受焦化失活影響，電催化過程中電極腐蝕現象頻發，而光催化則因易中毒而效能衰減，這些局限性均導致催化劑需頻繁更換。鐵電材料憑借其獨特的機械能－化學能轉換特性，在無光條件下即可實現高效制氫，展現出巨大的替代潛力。然而，主流鐵電陶瓷材料（如鋯鈦酸鉛PZT和鈦酸鋇BTO）在催化裂解水制氫過程中卻面臨多重瓶頸：鐵電陶瓷的聲阻抗遠大于水的聲阻抗，這種嚴重的聲阻抗失配導致機械能在傳遞過程中產生較大損耗，降低了能量利用效率；鐵電陶瓷不溶于水，固一氣界面存在高脫附能，這阻礙了氫氣的有效釋放，同時易引發活性位點中毒，進一步降低催化性能；在持續超聲刺激下，鐵電陶瓷的壓電性能會逐漸衰退，難以維持長時間的穩定制氫效率；鐵電陶瓷的制備溫度較高，且需要額外的電極化處理步驟，這顯著增加了催化劑的制備成本。從催化產氫效率來看，當前鐵電陶瓷的表現（如PZT的氫氣產率為1.27 mmol g?1 h?1，僅持續0.5小時；BTO的氫氣產率為0.66 mmol g?1 h?1，可維持15小時）較工業需求仍低1—2個數量級。因此，亟須通過突破性的材料設計來優化能量傳遞效率和表面反應動力學，以推動鐵電材料在制氫領域的實際應用。

分子鐵電晶體在超聲下催化裂解水所制氫氣的燃燒實驗

與鐵電陶瓷相比，分子鐵電材料展現出低溫溶液加工、機械柔性和低聲阻抗等諸多優點，同時還具備高壓電系數、高居里溫度以及多極軸等特性。其中，熊仁根教授團隊前期報道的（TMFM）x(TMCM)1–xCdCl3準同型相界鐵電固溶體（TMFM為三甲基氟甲基銨，TMCM為三甲基氯甲基銨，0 ≤ x ≤ 1）便是分子鐵電材料的一個突出例子，（TMFM）0.26(TMCM)0.74CdCl3的壓電系數d33高達約1540 pC/N，這一數值甚至超越了高端PZT材料 (Science 2019, 363, 1206–1210)。在本次研究中，科研人員攜手合作，創新性地提出了一種可再生的循環過飽和策略。他們利用分子鐵電材料（TMFM）0.26(TMCM)0.74CdCl3來催化裂解水制氫，使得分子鐵電納米晶能夠在過飽和水溶液體系中進行重結晶和溶解的循環，從而實現循環可再生高效制氫。相較于鐵電陶瓷，分子鐵電催化制氫具有多重顯著優勢：分子鐵電體的聲阻抗與水的聲阻抗接近，這種良好的聲阻抗匹配有利于機械能的高效傳遞，減少能量損耗；分子鐵電體溶于水，通過溶解分子鐵電納米晶，可以使得吸附在納米晶表面的氫氣完全脫附，提高氫氣產率；在溶解和重結晶過程中，分子鐵電納米晶能夠重新析出，并保持其鐵電、壓電性能。同時，還能更新并產生新的鐵電疇作為反應活性微區，使得分子鐵電體能夠實現可再生無限循環使用；分子鐵電體易于通過低溫溶液法進行合成與加工，由于晶體在低溫鐵電相生長，無需電極化處理即可表現出優異的鐵電性能，從而顯著降低了催化劑的制備成本。這些優勢大幅提高了鐵電催化制氫效率，實現了創紀錄的11.56 mmol g?1 h?1的氫氣產率，機械能到氫能的轉化效率高達35.6%。同時，該分子鐵電催化劑還展現出超過1500小時的出色耐久性，理論上可以實現無限循環使用。

這項突破性成果是在熊仁根教授提出的鐵電化學思想指導下取得的又一重要進展。它不僅彰顯了分子鐵電材料在催化制氫領域的巨大潛力，而且開創性地為可持續高效制氫提供了新的策略。

論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c18462

審核：許航、涂金鳳、朱文芳、徐翰