我国科学家研发出一种单原子OER催化剂,可降低制氢成本

  近日,浙江大学化学工程与生物工程学院侯阳研究员,通过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,设计开发出了一种单原子OER催化剂,可以使电/光电催化水裂解析氧反应更加高效,从而提升制备氢气的效率。这种新型催化剂可将制氢成本降低80%,并大幅提升OER反应的稳定性。研究成果发布在最新一期的《自然通讯》中。

  据研究人员介绍,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,最常见的生产方法就是通过水裂解产生氧气,进而形成氢气,这一过程需要催化剂才能加速反应效率。此前有科研人员研究出了金属铱作为催化剂来提升反应效率,但其价格却十分高昂。因此,研制出既保证催化效果又价格低廉的替代品,是学界面临的难题。

  研究团队通过仿生学方法,从材料的原子结构开始剖析。他们发现叶绿体中存在一种金属——氮配位卟啉结构,可收集太阳能,利用光合作用氧化反应分解水,并释放出氧气。侯阳研究员介绍,他们还通过分析发现了镍—氮配位掺杂的碳材料。

  侯阳研究员表示,在这一特殊结构中,四个氮原子“拉着”金属镍原子,吸引氢氧根离子吸附,降低了各种中间环节的转换难度,进而加速氧气析出。研究团队创新性地用一个硫单原子替换了一个氮原子,进一步优化材料表面的电荷分布,同时采用特殊工艺,将镍—氮材料“锚定”在碳基底上,规避了材料的不稳定性,最终使这种新型催化剂电极在碱性条件下表现出优异的电催化水裂解析氧活性和稳定性。

  水裂解制备氢气的过程可满足新一代能源汽车对于高密度能量的需求,也能够为研发以金属作为负极、以空气中的氧作为正极的新型燃料电池,未来可以帮助新一代氢能汽车大规模降低燃料成本。