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用于绿色制氢的单原子二聚体电催化剂

日期:2021-11-25    来源:中国氢能源网

国际氢能网

2021
11/25
09:03
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关键词: 氢气 绿色制氢 氢能

据国外媒体报道:目前,由于缺乏用于析氢反应的高效电催化剂,水电解的效率非常有限,并且通常需要高电压电池。贵金属如铂 (Pt) 等通常被用作催化剂,以改善酸性/碱性介质中的氢气生成。然而,这些贵金属催化剂价格昂贵,长期催化析氢反应表现出稳定性差的特点。

最近研究发现,与基于纳米材料的同类产品相比,单原子催化剂显示出优异的活性。这是因为它们能够实现高达100%的原子利用率,而在纳米颗粒中,只有表面原子可用于反应。然而,由于单金属原子中心的简单性,对催化剂进行进一步改造以进行复杂的多步骤反应是相当困难的。

镍单原子,b)钴单原子,c)镍钴单原子二聚体(NiCO-SAD-NC),d)镍钴异质纳米粒子催化剂的表示模型  ▲ 

改造单原子的最简单方法是把它们变成单原子二聚体,即把两个不同的单原子结合在一起。由于两个不同原子之间的协同作用,用二聚体调控单原子催化剂的活性部位可以改善反应动力学。然而,虽然单原子二聚体结构的合成和鉴定在概念上是已知的,但其实际制备却非常困难。

成均馆大学基础科学研究所(IBS)综合纳米结构物理中心副主任LEE Hyoyoung领导的研究小组解决了这个问题。IBS研究小组成功开发了一种原子分散的Ni-Co二聚体结构,它稳定的附着在氮掺杂碳的支撑骨架上,被命名为NiCo-SAD-NC。通过原位诱捕Ni/Co离子进入聚多巴胺球体,然后在精确控制的氮(N)配位下进行热解,在N掺杂的碳支撑物上合成了Ni-Co单原子二聚体结构。该研究采用了最先进的透射电子显微镜和X射线吸收光谱,成功地以原子级的精度确定了这些NiCo-SAD点。

研究人员发现,在氩气环境下于800℃退火两小时是获得二聚体结构的最佳条件。其他单原子二聚体,如CoMn和CoFe也可以用同样的方法合成,这证明了他们策略的通用性。

研究小组从驱动析氢反应所需的过电位方面评估了这个新系统的催化效率。在酸性和碱性介质中,NiCo-SAD-NC电催化剂的过电压水平与商业铂基催化剂相当。在碱性介质中,NiCo-SAD-NC还表现出比Ni/Co单原子催化剂和异质NiCo纳米颗粒高8倍的活性。同时,它在酸性介质中的活性分别比Co和Ni单原子催化剂高17倍和11倍,比传统的Ni/Co纳米颗粒高13倍。

此外,研究人员证明了这种新催化剂的长期稳定性,它能够驱动反应50小时而不发生任何结构变化。与其他单原子二聚体和Ni/Co单原子位点相比,NiCo-SAD表现出卓越的水解作用和最佳的质子吸附作用,根据密度泛函理论模拟,提升了pH通用催化剂的活性。

该研究发表在基础科学领域的世界知名期刊Nature Communications(IF 14.92)上。

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