科學家發明新一代電解水制氫催化劑

氫氣電離化劑是什麼

上圖：氧析出和氧還原反應被稱為氫能高效利用領域的兩大聖盃。然而，在酸性氧析出執行環境中，不僅需要高過電位而且催化劑的穩定性很差，這就導致氧析出的動力學極其緩慢。

下圖：吳宇恩教授課題組製備了一種單原子釕催化劑，可使酸性氧析出僅需要較低過電位，極大地加快了氧析出過程。/美術設計：崔劼

當電流透過水時，會產生氫氣和氧氣，氫氣在氧氣中燃燒，得到的產物是水。化學公式迴圈往復，這些中學課本上的內容為人所熟知。

過去的一百多年裡，科學家一直在試圖讓反應過程變得更快。電解水析出氫氣和氧氣作為整個反應中的兩個部分，為了提高反應速率，需要分別找到合適的催化劑。

直到今天，氫析出的相關催化技術已經發展得較為成熟，但氧析出還沒有找到更高效廉價的催化劑。這是氫能源領域懸而未決的難題之一，業內將之與非鉑氧還原催化劑的研發並稱為兩大聖盃。

如今氧析出催化劑的聖盃即將被中國科學家捧走。中國科學技術大學教授吳宇恩團隊在今年4月的《自然—催化》上發表封面文章，其製備的釕單原子合金催化劑大大加快了氧析出過程，有望降低氫氣製備成本。

探尋終極能源的終極製法

氫氣作為無汙染、零排放的“終極能源”，其應用前景一直被看好。

論文共同第一作者、吳宇恩課題組博士生麼豔彩告訴《中國科學報》，目前工業中較為常用的制氫方法是化石燃料制氫，比如“甲烷水蒸氣重整”——讓甲烷與水反應，生成一氧化碳和氫氣。但因為用到的是化石燃料，面臨著碳排放等環保問題。

電解水制氫則沒有碳排放的擔憂，且工藝過程簡單，有望成為下一代制氫的清潔方法。

根據電解質的不同，電解水制氫又可分為酸性電催化制氫和鹼性電催化制氫，麼豔彩告訴記者，由於目前工業上還沒有可以與鹼性電解水匹配的鹼性膜，而酸性膜已經是一種成熟的技術，所以酸性電解水工業化前景更佳。

為了提升電解水制氫效率，找到合適的催化劑可不簡單。這意味著催化劑既要做好自己的本職工作——加速反應，同時還要“坐懷不亂”——避免在反應過程中被過快地消耗掉。這兩種特性也被稱為活性和穩定性。

目前，在酸性條件下的電解水氧析出反應中，二氧化銥因為優異的活性和穩定性被廣泛使用。但金屬銥作為一種稀有的貴金屬材料，價格較為昂貴，每克的市價約為240-250元。

科研人員算了這樣一筆賬：工業上透過二氧化銥電解水制氫的成本是每千克33-38元，而產生相同能量所需要的汽油成本是每千克25-29元。

也就是說，若想用好氫氣這個終極能源，人們還得想辦法把成本再壓一壓。

超強催化劑

吳宇恩課題組瞄準了另一種催化劑——釕，釕是一種稀有的金屬元素，但在地球上的儲量更豐富，每克19。5-20。5元的市價和銥相比，已經友好得多。

目前商用的釕基催化劑大多為二氧化釕。這種催化劑雖然有出色的活性，但在反應過程中表現得過於“熱情”：在強酸、強氧化環境下，二氧化釕中的晶格氧會參與到氧氣析出的過程中。短短數小時內，催化劑活性就會大幅衰退。

既然釕和氧在一起這麼歡脫，那把單個釕原子拿出來會不會專心幹活？

這正是吳宇恩課題組多年來的研究重點：讓釕以單原子形式作為催化劑參與到氧析出反應中。

想穩住單個釕原子，得給它找個好位置。麼豔彩告訴《中國科學報》，課題組創新性地採用鉑銅合金作為載體，用酸刻蝕和電化學浸出的方法在載體表面製造出一個個空缺。當釕原子嵌入鉑銅載體時，二者間強相互作用，讓前者更穩定地停留。而鉑因為自身特性，即便在強酸環境下，也能好好穩住釕原子。

如此一來，與二氧化釕相比，釕單原子合金催化劑不僅能加速反應，在酸性電解水反應中還有更好的抗溶解能力。麼豔彩表示，這種催化劑相對於商業釕基催化劑的過電位降低了約30%，穩定性提高了近10倍。

創新性方法

這項研究的另一個亮點是，讓催化劑以單原子形式發揮作用，比由多個原子組成的催化劑顆粒活性更佳。

“比如原本10個原子聚攏在一起，真正起催化作用的可能只是外部表面的幾個原子，而內部的原子起不到作用。將單個原子固定在合金載體上，原子的利用率會更高。”麼豔彩解釋道。

新加坡國立大學化學系教授楊文祥這樣評價吳宇恩團隊的成果：研究團隊成功實現了“透過應力工程調控單原子釕的電子結構，從而進一步提高其在酸性氧析出中的活性和穩定性”。

吳宇恩表示，研究中透過金屬/合金載體調控單原子電子結構的策略也可在其他反應體系中應用，或能為類似研究提供借鑑和參考。

“未來，我們還會嘗試其他金屬或者非金屬載體，進一步降低催化劑成本。”麼豔彩表示。

（來源：《自然—催化》 吳宇恩等）