中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)15日消息，該校科研人員獲得水中取氫的廉價鑰匙——一種新型催化劑，不僅成本大幅下降，穩(wěn)定性提高近10倍。

據(jù)介紹，科研人員成功制備的釕單原子合金催化劑，具有廉價、高效的特點(diǎn)。成果被選為4月的《自然·催化》封面文章。

《自然﹒催化》四月刊封面：酸性電解液的環(huán)境中，在外加電位作用下，水分子吸附到活性位點(diǎn)單原子Ru上，在單原子Ru的催化下，電解水產(chǎn)生氧氣。

“終極能源”氫能市場化的關(guān)鍵一環(huán)是氫氣高效廉價的制取。其中，電解水是最被看好的制備方式之一。然而，電解水過程中必需的高效廉價的氧氣析出催化劑是當(dāng)前面臨的最困難挑戰(zhàn)之一

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)吳宇恩教授課題組近日運(yùn)用創(chuàng)新工藝，在氧析出催化劑取得重大突破，為電解水制氫的工業(yè)化推進(jìn)重要一步。

氧析出常用的商用催化劑是二氧化銥。銥金屬市價為240元-250元/克，工業(yè)上通過二氧化銥電解水制氫成本是33元-38元/千克，而轉(zhuǎn)化為相同的能量所需的汽油成本是25元-29元。這是高能、清潔、廉價的氫能源推廣的重大阻礙。相比之下，另一個可作為催化關(guān)鍵元素的釕金屬市價為19.5-20.5元/克，地球儲量更豐富，價格更廉價，如果用于工業(yè)，能夠有效降低氫氣制備成本，便于其推廣。

可惜的是，在強(qiáng)酸、強(qiáng)氧化性環(huán)境中，二氧化釕在高的工作電位下極易被氧化為四氧化釕，從而失去催化活性。最主要原因是二氧化釕中的晶格氧參與了產(chǎn)物氧氣的析出。因此，開發(fā)出一種高活性和高穩(wěn)定的釕單原子催化劑，是解決上述問題最有潛力的途徑。

釕基催化劑在酸性氧析出中的穩(wěn)定性是一個公認(rèn)的世界難題。吳宇恩教授團(tuán)隊(duì)早在2014年就開始研究釕元素的應(yīng)用。為實(shí)現(xiàn)高效廉價的電解水制氫，該團(tuán)隊(duì)經(jīng)過多年的實(shí)驗(yàn)探索，創(chuàng)新性地提出利用抗氧化能力和抗溶解能力強(qiáng)的鉑基合金為載體，利用表面缺陷工程技術(shù)捕獲和穩(wěn)定單原子的方法成功制備了釕單原子合金催化劑，該釕單原子合金催化劑相對于商業(yè)釕基催化劑的過電位降低了大約30%，穩(wěn)定性提高了近10倍。

新加坡國立大學(xué)化學(xué)系的楊文祥教授對該成果做出了很高的評價，認(rèn)為吳宇恩教授團(tuán)隊(duì)的工作成功實(shí)現(xiàn)了“通過應(yīng)力工程調(diào)控單原子釕的電子結(jié)構(gòu)，從而進(jìn)一步提高其在酸性氧析出中的活性和穩(wěn)定性”。

吳宇恩教授課題組制備了一種單原子釕(Ru)催化劑，可使酸性氧析出僅需要較低過電位 (220 mV)，極大地加快了氧析出過程。/美術(shù)設(shè)計(jì)：崔劼

論文第一作者么艷彩博士說，相關(guān)實(shí)驗(yàn)證實(shí)該釕單原子合金催化劑相比于商業(yè)釕基催化劑在酸性電解水反應(yīng)中具有更好的活性、抗過氧化和抗溶解能力。

在這項(xiàng)研究中，研究人員不僅成功實(shí)現(xiàn)了將單原子釕嵌入穩(wěn)定合金載體中從而制備出高效催化劑，而且從中深受啟發(fā)。“利用金屬/合金載體調(diào)控單原子電子結(jié)構(gòu)的策略可以應(yīng)用于其它反應(yīng)體系中，這或許能為許多類似的科學(xué)問題提供思路。”吳宇恩教授說。(范瓊 吳蘭)

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