浙大学者研制新型催化剂新一代氢能汽车或可大规模降低燃料成本

氢气作为新一代清洁能源，具有无污染、燃烧值高、资源广泛的优势。氢气从哪儿来，最常见的方法就是通过水裂解产生氧气，进而形成氢气。这一电/光电催化析氧反应（OER）过程中，涉及四电子转移的复杂反应过程，具有反应动力学缓慢和较大的过电位，限制了整体的能量转换效率。因此，科研人员研究出贵金属铱作为催化剂加速反应效率，但不可否认，铱的成本太高每克单价接近黄金的两倍。长久以来，科研人员想要找到廉价的替代品，然而研究成果往往整体催化效率较低且催化机理和活性位点难以捉摸。近日，浙江大学化学工程与生物工程学院“百人计划”入选者侯阳研究员，通过仿生学的方法，设计并开发出一种单原子OER催化剂，将高度分散的镍单原子锚定在氮-硫掺杂的多孔纳米碳基底上，用于高效电/光电催化水裂解析氧反应。这项成果被知名学术杂志《自然通讯》（Nature Communications）在线报道。要设计新型催化剂，侯阳课题组从材料的原子结构开始剖析。课题组发现在叶绿体中存在一种金属-氮配位卟啉结构，该结构能够收集太阳能，利用光合作用氧化反应分解水，并释放出氧气。侯阳课题组采用球差校正扫描透射电子显微镜、电子能量损失谱、X射线近边吸收光谱和扩展X射线吸收光谱等手段，首次揭示了镍单原子锚定在氮-硫掺杂的多孔纳米碳催化材料中原子级分散的镍单原子与周围3个氮原子及1个硫原子形成配位结构共掺杂到纳米碳骨架作为催化活性位点。理论计算结果阐明，硫原子的引入优化了镍-氮掺杂纳米碳表面的电荷分布，大幅度降低了OER反应势垒，进而极大地加速了OER反应动力学，从而导致其高效的电/光电催化性能和优良稳定性。实验发现，该课题组研制的镍单原子锚定氮-硫掺杂的多孔纳米碳催化剂，相比市场上广泛应用的商业铱基催化剂，这种新型催化剂的过电位降低了大约5%，也就是说驱动反应的能量降低5%，同时成本降低了80%以上，并且稳定性大幅度提高，展现出工业级电解水制氢的潜能。本次研究不仅设计并开发出一种高效稳定的过渡金属-氮-硫原子级电催化剂，还为如何设计低成本高活性人工固氮合成氨、二氧化碳高值化利用和氧还原催化材料的设计提供了新的思路。

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