Advanced Energy Materials:“边际效应”助力单原子催化析氢

在新能源的开发研究中,氢气由于具有燃烧值高、产物无污染和利用形式多样化等诸多优点而广受关注。与蒸汽甲烷转化法和水煤气法相比,电解法以水为原料,是一种清洁、可持续的大规模制备氢气的方法。电化学水裂解反应包括析氢反应和析氧反应。然而,目前的商用铂碳催化剂价格昂贵且资源匮乏,极大地限制了该类催化剂的大规模应用。因此开发成本低廉且具有较高催化效率和稳定性的水裂解催化剂,是水裂解制氢研究和应用的关键。

在催化剂的设计优化过程中,明确催化剂的活性位本质和构建多相催化的结构和反应性能之间的准确关系是催化基础研究的重点。基于丰富的表征测试手段的纳米探究能够较好地在分子原子水平测定表面结构以明确催化剂活性位本质。 尽管许多已报道的催化剂通过优化“表观催化活性”,取得了不错的进展。但是,从“本征催化活性”而言,很少有材料表现出与商用催化剂相当的催化性能。而挖掘催化剂材料的本征活性恰恰是开发新型稳定催化剂,优化催化剂设计的重要出路。

新加坡南洋理工大学化学与生物医学工程学院楼雄文课题组成功将“钌”单原子引入到多边际碳基底中。该碳基底本身固有多边际特征,进而引入了大量的缺陷位点。而该类催化位点不但可以有效地固定新引入的单原子“钌”位点,而且可以改变活性位中心的配位环境。同步辐射研究与拉曼测试为该论点提供了充分的实验依据。理论模拟发现,引入的缺陷位会在钌原子处形成非常强的局域电场,相当于有效地提高了催化剂地本征活性,从而进一步增强催化效率。 相比于商用铂碳催化剂,新构筑的催化剂能够将质量活性提升近10倍,而将使用成本降低为商用催化剂的三十分之一。

贵金属在电化学析氢反应中拥有举足轻重的地位。研究者认为,本工作最大限度地减少贵金属用量但并未影响制氢反应催化效果,有望实现规模化应用。同时深入理解了催化剂效果与结构之间的联系,为进一步优化催化剂本征活性提供了思路。相关论文在线发表在Advanced Energy Materials (DOI: 10.1002/aenm.202000882)上。