顯著降低水制氫成本 中國科學(xué)家研發(fā)新型高效析氫催化劑

最近“加水就能跑”的新能源汽車鬧得人盡皆知，盡管當(dāng)?shù)卣顿Y的這個項目有頗多疑點，不過水制氫這件事本身并不是神話，而是科技人員一直在研究的新技術(shù)，其準(zhǔn)備說法是電化學(xué)析氫（HER），是獲得高純度氫氣并實現(xiàn)可持續(xù)分布式存儲的重要途徑。

HER制備氫氣的重要因素就是催化劑，如何設(shè)計制備高效的催化劑驅(qū)動HER反應(yīng)是推進此方法實際應(yīng)用所面臨的主要挑戰(zhàn)。針對商業(yè)化Pt/C催化劑成本高難以規(guī)?；瘧?yīng)用的劣勢，研究人員開發(fā)了許多低成本過渡金屬化合物（如硫化物、磷化物和碳化物等）作為替代催化劑并取得了一些成果。

另外，隨著近年來單原子催化劑制備和表征技術(shù)的發(fā)展，從降低金屬負(fù)載量最大化原子利用率角度出發(fā)，利用高本征活性的Pt設(shè)計制備催化劑也成為了可能。

中國科技技術(shù)大學(xué)日前宣布，，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)國家同步輻射實驗室宋禮教授和合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心江俊教授合作，在低鉑(Pt)負(fù)載催化劑設(shè)計及其電化學(xué)析氫性能研究方面取得了重要進展，揭示了局域電場效應(yīng)對HER反應(yīng)動力學(xué)過程的影響。相關(guān)成果以“Atomically dispersed platinum supported on curved carbon supports for efficient electrocatalytic hydrogen evolution”為題發(fā)表在國際知名雜志Nature Energy上。

單原子催化劑金屬活性位點通常會均勻的分布在負(fù)載載體上。在活性位點結(jié)構(gòu)均一的條件下，從化學(xué)反應(yīng)碰撞理論的角度出發(fā)進一步提升催化劑性能的策略有（1）制備高密度的單原子催化劑（但需要增加金屬的用量）；（2）提高反應(yīng)物在催化劑活性位點的局部濃度。特別地，催化劑的尖端結(jié)構(gòu)可以具備局域電場，其作用于化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)底物在催化劑的尖端結(jié)構(gòu)周圍會出現(xiàn)局域高濃度分布，從而有望加速化學(xué)反應(yīng)的動力學(xué)過程，最終獲得更優(yōu)的催化性能。

基于此，中科大宋禮教授課題組在前期納米金剛石的工作基礎(chǔ)上，與江俊教授及其他合作者通過精準(zhǔn)合成結(jié)合理論設(shè)計，成功獲得了高曲率quasi-0D碳納米洋蔥(OLC)負(fù)載Pt單原子催化劑。測試結(jié)果表明，在酸性介質(zhì)中較低Pt負(fù)載量(0.27 wt%)的Pt1/OLC催化劑表現(xiàn)出低過電位(38 mV at 10 mA cm-2)和高TOF值( 40.78 H2 s-1at 100 mV)，不僅優(yōu)于同樣方法制備的相近Pt負(fù)載量(0.33 wt%)的Pt1/graphene催化劑，而且接近于商業(yè)化20 wt% Pt/C催化劑的性能?；诘谝恍栽矸椒?，理論計算表明Pt位點的產(chǎn)氫活性很高。同步輻射X射線譜學(xué)表征結(jié)合高分辨電鏡觀測發(fā)現(xiàn)，得益于高曲率的OLC載體表面，Pt位點構(gòu)成尖端并產(chǎn)生局域電場效應(yīng)，誘導(dǎo)質(zhì)子聚集在Pt位點周圍，促進了質(zhì)子耦合的電子轉(zhuǎn)移 (PECT)過程，最終呈現(xiàn)了優(yōu)異的HER性能。該工作提出了一種通過調(diào)控納米碳載體結(jié)構(gòu)增強單原子位點活性的新策略，也提供了一種基于同步輻射精細(xì)結(jié)構(gòu)解析和理論計算的有效表征途徑。

論文通訊作者是宋禮教授（http://staff.ustc.edu.cn/~song2012/）和江俊教授（http://staff.ustc.edu.cn/~jiangju1/），共同第一作者為劉道彬博士和李喜玉博士。該工作從2012年的納米金剛石的純化開始，得到了科技部國家重大科學(xué)研究計劃 (MOST)、國家自然科學(xué)基金委員會 (NSFC)等項目資助，同時上海光源、北京同步輻射裝置、合肥國家同步輻射實驗室以及中科大微納研究與制造中心為課題的開展提供了實驗條件。

高曲率碳納米洋蔥負(fù)載Pt單原子催化劑設(shè)計及其析氫(HER)機理