韩国光州科学技术院：氢气生成催化反应原理创新发现

韩国今日能源新闻报道，一项为生产氢气的下一代电化学催化剂开发提供重要转折点的研究成果正式发表。

6月16日信息，韩国光州科学技术院（GIST）宣布，化学系徐俊赫教授研究团队利用钨（W）金属与独特配体分子二硫纶（dithiolene）结合的配位化合物，证实了“氢键”如何协助氢气生成反应。

这项研究揭示了高氧化态金属在氢气生成反应中的作用机制，其重要意义在于为下一代催化剂的设计提供了新方向。

研究证实，催化剂工作时不仅金属本身重要，其周围结合的配体相互作用也至关重要，并表明此前未被重视的周围分子可能对实际反应效率产生决定性影响。

氢气生成反应是将氢气体作为环保能源利用的核心技术。过去研究主要集中于催化剂中心金属的电子结构，但近期学界越来越关注金属周围附着分子改变金属性质及调控反应的作用。

二硫纶（dithiolene）作为稳定金属离子的配体广为人知，但此前从未通过实验证实该分子在高氧化态钨化合物中能与氢结合并协助质子传递。

研究团队首次通过实验证明：在钨配位化合物中，弱酸性物质会同时与金属结合的氧（W=O）和二硫纶分子的硫（S）原子形成氢键，从而形成电子与质子协同移动、使氢气生成反应顺畅进行的电子结构。

通过单晶X射线结构分析，研究团队确认当添加弱酸性物质三乙基铵时，金属的氧（W=O）与二硫纶分子的硫（S）原子会同时形成氢键。

这一过程中分子电子结构发生变化，形成更易迁移电子的状态，使得钨在更低电压下也能发生还原反应（W(IV) → W(III)），从而有效降低氢气生成反应所需能量。

通过电子顺磁共振（EPR）分析，研究成功直接检测到氢键形成后产生的W(III)–OH中间体，这是电子与质子协同迁移的“质子耦合电子转移（PCET）”机制真实发生的关键证据。

徐教授表示：“本研究通过实验证实，金属周围结合的分子不仅起到稳定金属的作用，还能实质协助电子与质子的迁移。这一发现让我们能更深入理解和解释人工光合作用、二氧化碳转换、水电解技术等下一代能源转换反应的基本原理。”

同期，韩国研究人员也在无铂PEM电解制氢技术方面有突破

韩国科学家开发出一种新型电化学界面，可通过无需铂金属的电解法生产氢气，从而降低成本。

韩国科学技术院（KAIST）与韩国能源研究所（KIER）的研究团队成功改进了质子交换膜水电解制氢技术。虽然该技术目前被认为最具发展前景，但其高效运行需要依赖铂、铱等贵金属。韩国研究人员现已突破这一技术障碍。

在PEM电解槽中，IrOx催化剂通常需要铂金属辅助才能有效工作，其根本原因在于电极组件间电子传导性能不佳。研究发现，在催化剂、离聚物和钛基底的接触界面存在名为"pinch-off"的效应，会阻断电子传导。虽然离聚物对离子传导至关重要，但其包裹催化剂颗粒时会形成绝缘层，阻碍电子转移。

研究团队通过调整IrOx颗粒尺寸解决了这一难题。实验表明，当粒径超过20纳米时，电子阻隔区域显著减少，无需铂金属即可实现催化剂与载体间更优的电子传输。研究人员还重构了催化剂结构，在保持高催化活性的同时降低了离聚物干扰。

"这项技术在无需铂等昂贵材料的情况下仍能保证高性能，让我们向氢能经济又迈进了一步。"论文作者之一金熙泽教授强调道。