南韓研究團隊突破催化劑設計策略：電池與燃料電池關鍵反應效率從12%躍升至52%

南韓研究團隊以電場調控策略大幅提升催化劑效能

南韓研究團隊開發出一種全新的催化劑設計策略，能在不改變催化劑本身的情況下，大幅提升電池與氫燃料電池反應效率。

該團隊由浦項科技大學（POSTECH）黃承俊教授與首爾大學柳在允教授共同領導，研究發現，調整催化劑周圍的電場環境即可顯著提升其效能。這項方法有望在提升效率與穩定性的同時，減少次世代能源系統的能量損耗。

催化劑是加速化學反應的材料，在氫燃料電池和金屬空氣電池等技術中扮演關鍵角色，負責驅動產生電力的化學反應。

傳統上，研究人員會透過更換中心金屬（如鐵、鈷或鎳），或重新設計周圍分子結構（稱為配體）來改善催化劑效能。然而這項新研究另闢蹊徑，保持催化劑本身不變，轉而修改其周圍的電場。

電場驅動效能提升

研究人員證實，在催化劑附近放置帶正電的離子（即陽離子），可產生局部電場，進而影響反應進行的方式。

團隊聚焦於氧還原反應（ORR），這是燃料電池和金屬空氣電池中產生電力的關鍵電化學過程。長期以來，提升此反應效率一直是研究目標，因為它直接影響裝置效率和能源消耗。

實驗結果顯示，引入電場後，目標反應路徑的比例從約 12% 大幅提升至高達 52%。這使得反應在消耗更少能量的情況下更有效率地進行。

研究人員指出，這些結果表明催化劑效能可透過環境調控來優化，而非從頭重新設計催化劑材料。這種方法有望簡化未來的催化劑開發流程，並降低開發新材料的相關成本。

應用範圍超越電池與燃料電池

這項研究的影響可能不僅限於儲能與氫能技術。研究人員認為，相同原理可應用於二氧化碳轉換以及環保氫氣生產所使用的催化劑。

許多潔淨能源技術仰賴催化劑來控制複雜的化學反應。透過調整局部電場條件來改善這些反應，可為設計更高效系統提供新的工具。

「這項研究證明，在不改變催化劑結構的情況下，僅透過周圍電場環境即可精確控制反應特性。」黃承俊教授表示。

研究人員指出，這些發現為催化劑工程開啟了新方向，將關注焦點從催化劑的結構轉移到其運作環境。

該研究中探討的氧還原反應是氫燃料電池的核心過程——燃料電池利用氫氣和氧氣產生電力；同時也是金屬空氣電池的關鍵——這類電池利用大氣中的氧氣作為儲能過程的一部分。

「我們預期這將為開發次世代電池、燃料電池及環保能源催化劑技術提出全新方向。」黃承俊教授補充道。

若該方法能夠規模化並應用於不同催化劑系統，將有助於在無需全新催化劑材料的情況下，提升各種潔淨能源技術的效能。

該研究已發表於《美國化學學會期刊》（Journal of the American Chemical Society）。

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