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韓國研究人員開發了一種新的催化劑設計策略，能夠提升電池及氫燃料電池中反應的效率，而無需改變催化劑本身。此項研究由浦項科技大學的黃承俊教授及首爾國立大學的柳在允教授領導，研究團隊發現調整催化劑周圍的電場環境能顯著改善其性能。這種方法有助於降低下一代能源系統中的能量損失，同時提升效率及穩定性。催化劑是加速化學反應的材料，是氫燃料電池及金屬空氣電池等技術的重要組成部分，它們幫助推動生成電力的反應。
傳統上，研究人員通過改變中心金屬，例如鐵、鈷或鎳，或重新設計被稱為配體的周圍分子結構來改善催化劑。新研究採取了不同的路徑，基本保持催化劑不變，而是修改其周圍的電場。
研究人員提出的新催化劑設計策略顯著提升反應效率
研究人員證明，將帶正電的離子（稱為陽離子）放置在催化劑附近，可以創造出局部電場，影響反應的進行。團隊專注於氧還原反應（ORR），這是一個關鍵的電化學過程，能在燃料電池及金屬空氣電池中生成電力。改善該反應長期以來一直是目標，因為它直接影響設備的效率及能量消耗。實驗顯示，當引入電場時，所需反應路徑的比例從大約 12% 提升至高達 52%。這使得反應的效率提高，同時所需能量減少。
根據研究人員的説法，結果表明催化劑性能可以通過環境控制進行調整，而不是從頭開始重新設計催化劑材料。這種方法可能簡化未來催化劑的開發，並降低創建新材料的成本。
這項研究的影響可能超越能源儲存及氫技術。研究人員相信，這一原則同樣可以應用於用於二氧化碳轉化及環保氫生產的催化劑。許多清潔能源技術依賴催化劑來控制複雜的化學反應。通過調整局部電場條件來改善這些反應，可能為設計更高效的系統提供一種新工具。黃教授表示：「這項研究展示了反應特性可以僅通過周圍的電場環境精確控制，而無需改變催化劑本身的結構。」研究人員指出，這些發現為催化劑工程開啟了一個新的方向，將注意力從催化劑的結構轉向其運行環境。
這項研究為未來清潔能源技術的發展提供新方向
本研究中檢視的氧還原反應是氫燃料電池的核心過程，這些燃料電池能從氫和氧中生成電力，還有利用來自大氣的氧氣作為能量儲存過程一部分的金屬空氣電池。黃教授補充道：「我們預計這將為開發下一代電池、燃料電池和環保能源催化技術提供一個新方向。」如果這種方法能夠擴展並應用於不同的催化劑系統，將有助於提升各種清潔能源技術的性能，而無需全新催化劑材料。該研究已發表於《美國化學學會期刊》中。
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