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    2. 新聞中心

      用于綠色制氫的單原子二聚體電催化劑

          據(jù)國外媒體報道:目前,由于缺乏用于析氫反應(yīng)的高效電催化劑,水電解的效率非常有限,并且通常需要高電壓電池。貴金屬如鉑 (Pt) 等通常被用作催化劑,以改善酸性/堿性介質(zhì)中的氫氣生成。然而,這些貴金屬催化劑價格昂貴,長期催化析氫反應(yīng)表現(xiàn)出穩(wěn)定性差的特點。

          最近研究發(fā)現(xiàn),與基于納米材料的同類產(chǎn)品相比,單原子催化劑顯示出優(yōu)異的活性。這是因為它們能夠?qū)崿F(xiàn)高達100%的原子利用率,而在納米顆粒中,只有表面原子可用于反應(yīng)。然而,由于單金屬原子中心的簡單性,對催化劑進行進一步改造以進行復(fù)雜的多步驟反應(yīng)是相當困難的。


          改造單原子的最簡單方法是把它們變成單原子二聚體,即把兩個不同的單原子結(jié)合在一起。由于兩個不同原子之間的協(xié)同作用,用二聚體調(diào)控單原子催化劑的活性部位可以改善反應(yīng)動力學(xué)。然而,雖然單原子二聚體結(jié)構(gòu)的合成和鑒定在概念上是已知的,但其實際制備卻非常困難。

          成均館大學(xué)基礎(chǔ)科學(xué)研究所(IBS)綜合納米結(jié)構(gòu)物理中心副主任LEE Hyoyoung領(lǐng)導(dǎo)的研究小組解決了這個問題。IBS研究小組成功開發(fā)了一種原子分散的Ni-Co二聚體結(jié)構(gòu),它穩(wěn)定的附著在氮摻雜碳的支撐骨架上,被命名為NiCo-SAD-NC。通過原位誘捕Ni/Co離子進入聚多巴胺球體,然后在精確控制的氮(N)配位下進行熱解,在N摻雜的碳支撐物上合成了Ni-Co單原子二聚體結(jié)構(gòu)。該研究采用了最先進的透射電子顯微鏡和X射線吸收光譜,成功地以原子級的精度確定了這些NiCo-SAD點。

          研究人員發(fā)現(xiàn),在氬氣環(huán)境下于800℃退火兩小時是獲得二聚體結(jié)構(gòu)的最佳條件。其他單原子二聚體,如CoMn和CoFe也可以用同樣的方法合成,這證明了他們策略的通用性。

          研究小組從驅(qū)動析氫反應(yīng)所需的過電位方面評估了這個新系統(tǒng)的催化效率。在酸性和堿性介質(zhì)中,NiCo-SAD-NC電催化劑的過電壓水平與商業(yè)鉑基催化劑相當。在堿性介質(zhì)中,NiCo-SAD-NC還表現(xiàn)出比Ni/Co單原子催化劑和異質(zhì)NiCo納米顆粒高8倍的活性。同時,它在酸性介質(zhì)中的活性分別比Co和Ni單原子催化劑高17倍和11倍,比傳統(tǒng)的Ni/Co納米顆粒高13倍。

          此外,研究人員證明了這種新催化劑的長期穩(wěn)定性,它能夠驅(qū)動反應(yīng)50小時而不發(fā)生任何結(jié)構(gòu)變化。與其他單原子二聚體和Ni/Co單原子位點相比,NiCo-SAD表現(xiàn)出卓越的水解作用和最佳的質(zhì)子吸附作用,根據(jù)密度泛函理論模擬,提升了pH通用催化劑的活性。


          該研究發(fā)表在基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域的世界知名期刊Nature Communications(IF 14.92)上。