浙大學者研制新型催化劑新一代氫能汽車或可大規(guī)模降低燃料成本

氫氣作為新一代清潔能源，具有無污染、燃燒值高、資源廣泛的優(yōu)勢。氫氣從哪兒來，最常見的方法就是通過水裂解產(chǎn)生氧氣，進而形成氫氣。這一電/光電催化析氧反應(yīng)（OER）過程中，涉及四電子轉(zhuǎn)移的復(fù)雜反應(yīng)過程，具有反應(yīng)動力學緩慢和較大的過電位，限制了整體的能量轉(zhuǎn)換效率。因此，科研人員研究出貴金屬銥作為催化劑加速反應(yīng)效率，但不可否認，銥的成本太高每克單價接近黃金的兩倍。長久以來，科研人員想要找到廉價的替代品，然而研究成果往往整體催化效率較低且催化機理和活性位點難以捉摸。近日，浙江大學化學工程與生物工程學院“百人計劃”入選者侯陽研究員，通過仿生學的方法，設(shè)計并開發(fā)出一種單原子OER催化劑，將高度分散的鎳單原子錨定在氮-硫摻雜的多孔納米碳基底上，用于高效電/光電催化水裂解析氧反應(yīng)。這項成果被知名學術(shù)雜志《自然通訊》（Nature Communications）在線報道。要設(shè)計新型催化劑，侯陽課題組從材料的原子結(jié)構(gòu)開始剖析。課題組發(fā)現(xiàn)在葉綠體中存在一種金屬-氮配位卟啉結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能夠收集太陽能，利用光合作用氧化反應(yīng)分解水，并釋放出氧氣。侯陽課題組采用球差校正掃描透射電子顯微鏡、電子能量損失譜、X射線近邊吸收光譜和擴展X射線吸收光譜等手段，首次揭示了鎳單原子錨定在氮-硫摻雜的多孔納米碳催化材料中原子級分散的鎳單原子與周圍3個氮原子及1個硫原子形成配位結(jié)構(gòu)共摻雜到納米碳骨架作為催化活性位點。理論計算結(jié)果闡明，硫原子的引入優(yōu)化了鎳-氮摻雜納米碳表面的電荷分布，大幅度降低了OER反應(yīng)勢壘，進而極大地加速了OER反應(yīng)動力學，從而導(dǎo)致其高效的電/光電催化性能和優(yōu)良穩(wěn)定性。實驗發(fā)現(xiàn)，該課題組研制的鎳單原子錨定氮-硫摻雜的多孔納米碳催化劑，相比市場上廣泛應(yīng)用的商業(yè)銥基催化劑，這種新型催化劑的過電位降低了大約5%，也就是說驅(qū)動反應(yīng)的能量降低5%，同時成本降低了80%以上，并且穩(wěn)定性大幅度提高，展現(xiàn)出工業(yè)級電解水制氫的潛能。本次研究不僅設(shè)計并開發(fā)出一種高效穩(wěn)定的過渡金屬-氮-硫原子級電催化劑，還為如何設(shè)計低成本高活性人工固氮合成氨、二氧化碳高值化利用和氧還原催化材料的設(shè)計提供了新的思路。

（來源：http：//www.news.zju.edu.cn/2019/0513/c23225a1196853/page.htm）