陳軍互 / 中山大學化學系
氫能作為未來潔淨能源的重要一環，已成為國際社會廣泛關注的焦點。本團隊深耕高效能金屬氧化物電解水催化劑研究已有十餘年，秉持創新精神，專注於降低催化成本與提升催化性能，並積極拓展其於海水電解應用中的可能性。相關研究不僅致力於技術進步，更期望為全球能源永續發展提供具實際價值的解決方案。
本團隊成功研發出酸性氧化還原輔助沉積法 (Acidic Redox-assisted Deposition; ARD) ，為製備低成本高效能催化劑提供了全新途徑。ARD 技術的核心在於其能於酸性水相環境中，金屬離子自發地進行氧化還原反應，並在電極表面均勻沉積多元金屬氧化物催化劑。此種催化劑具有優異的附著力及高穩定性。由此可見，ARD 技術的產物具有兩大顯著優勢：其一，極高的附著力使催化劑能長時間穩定運行；其二，多元金屬摻雜能力可顯著提升催化劑的性能。
ARD 技術在酸性條件下的獨特製備過程，逐漸受到學術界的廣泛關注。經過十餘年的深入研究，團隊已發表多篇相關學術論文。以下將詳細介紹本團隊在 ARD 技術上的最新研究進展，尤其是其在催化劑性能提升與海水電解應用方面的突破，並展望該技術在推動氫能產業化進程中的潛在應用價值。
一般而言，金屬氧化物通常透過鹼性環境 (如 NaOH 或 NH4OH) 進行沉澱反應 (Precipitation) 生成金屬氫氧化物 (Mn+(OH)n)，然後通過高溫鍛燒脫水來轉化為金屬氧化物。然而，酸性環境理論上並非理想的合成條件，通常不能用來生成金屬氧化物。
本研究挑戰這一傳統認知，發現當金屬元素與強氧化劑結合，在酸性條件下會產生獨特的反應現象，這一現象使得金屬氧化物能夠在酸性環境中成功合成，且具有高附著力和高活性。以鈷與錳的反應為例，以下將展示此技術的潛力與應用價值。
9 Co2+(aq) + 3 MnO4-(aq) + 14 H2O(l) → Co9Mn3O26H13(s) + 15 H+(aq) [1]
在低 pH 條件下，能促使 Co(II) 被氧化為 Co(III)，同時使 Mn(VII) 被還原為 Mn(IV)，從而生成金屬氫氧化物。基於此反應的環境條件和機制，團隊將此新技術命名為酸性氧化還原輔助沉積法 (ARD)。ARD 技術能在室溫下，於各類基材表面進行沉積，這些基材包括塑膠、木材、金屬、陶瓷等，甚至適用於複雜表面或不耐高溫的材料 (見圖一)。此技術所產生的薄膜具有極強的附著力，即便使用尖銳物品進行刮磨，薄膜仍能保持完好無損。更為關鍵的是……
圖一、ARD 技術於各種基材的沉積測試，展現其高度應用靈活性。(i) 沉積於三維多孔鎳泡沫上；(ii) 沉積於螺絲的螺旋表面；(iii) 將 CMOH 複雜圖案轉印至 100 cm2 的玻璃基板上；(iv) CMOH 沉積於 PET 基材，經過 100 次彎曲和折疊後仍保持完整無損；(v) 沉積於彎曲的木質表面；(vi) 沉積於銅箔表面
應對高電流密度水分解挑戰
為了連結再生能源並緩解其間歇性供應的問題，大規模產氫儲能成為必要。因此，為了有效捕捉再生能源的高電流輸出，高電流密度水分解是關鍵技術。在水分解過程中，由液體轉變為氣體時產生的顯著密度差異 (至少達 1/1,000)，會對附著於電極表面的催化劑產生推力，使其因氫氣與氧氣的大量瞬間生成而脫離表面。這使得目前的…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖二、(a)使用黏著劑將 Pt 粉末催化劑固定於電極表面，並在 3,000 mA/cm2 電流密度下進行水分解測。圖中展示了測試前及經過 150 分鐘測試後的 SEM 圖。(b) 鈷錳雙元氧化物薄膜催化劑在3,000 mA/cm2 電流密度下進行水分解測。圖中展示了測試前及經過 150 分鐘測試後的 SEM 圖