中國科大研制新型催化劑降低電解水制氫成本

2019-06-10 16:57:01來源：光明日報(bào)

能源是文明永恒的主題，氫能作為一種高效的清潔可再生能源更是本世紀(jì)的一大熱點(diǎn)。電解水制氫由于零污染、零排放的優(yōu)勢而受到越來越多研究者的注意。作為其中關(guān)鍵的一環(huán)，各種新型催化材料也層出不窮。近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的宋禮教授和江俊教授合作，推陳出新，獨(dú)辟蹊徑，利用催化效果最好的鉑金屬巧妙設(shè)計(jì)了遍布針尖的“松球結(jié)構(gòu)”催化劑，在保持催化制氫效果不變的情況下，與商業(yè)鉑碳催化劑相比，鉑金屬的用量降低了近75倍，大大降低了催化劑的成本。相關(guān)成果在線發(fā)表在6月3日的《自然·能源》上。

宋禮教授課題組想到了一個好辦法，能夠最大化地使鉑原子處于催化劑的表面。首先，相對于之前的研究，他們選擇了單位質(zhì)量下?lián)碛凶畲蟊砻娴那蛐危瑢⒅氨馄降拇呋瘎┒甲龀梢活w顆“球”，將以前局限在二維平面的反應(yīng)改造成了三維立體的反應(yīng)。曾經(jīng)的一間小平房被改造成了一個球形小高層，可容納的人數(shù)——也就是可以發(fā)生反應(yīng)的場地大大增加了。同時，每個鉑原子都位于球形的表面，保證了它們都在“生產(chǎn)一線”。這樣催化劑形成了一個表面滿是針尖的“球”，每個針尖都是一個單原子鉑，沒有“人”可以“躲”在后面偷懶。江俊教授說：“這個設(shè)計(jì)還帶來一個驚喜的附加效果，理論模擬發(fā)現(xiàn)，彎曲的球面會在尖端鉑原子處形成非常強(qiáng)的局域電場，相當(dāng)于給鉑原子腳上加了一個加速履帶，可以進(jìn)一步增強(qiáng)催化效率。”

審稿人高度評價(jià)：“這是一項(xiàng)關(guān)于單原子催化劑的相當(dāng)復(fù)雜的研究，作者通過維度設(shè)計(jì)來調(diào)節(jié)電荷和局部電場，提高鉑原子的催化作用。我很欣賞這些有趣的想法。”

鉑金屬在電化學(xué)制氫反應(yīng)中擁有很重要的地位，本工作最大限度地減少鉑用量但并未影響制氫反應(yīng)催化效果，有望實(shí)現(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用;同時深入理解了催化劑效果與結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)系，為進(jìn)一步優(yōu)化催化劑的性能指明了方向。

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