科研人員發現水中取氫廉價鑰匙 “終極能源”

 中國科學技術大學15日消息，該校科研人員獲得水中取氫的廉價鑰匙——一種新型催化劑，不僅成本大幅下降，穩定性提高近10倍。

據介紹，科研人員成功制備的釕單原子合金催化劑，具有廉價、高效的特點。成果被選為4月的《自然·催化》封面文章。

《自然﹒催化》四月刊封面：酸性電解液的環境中，在外加電位作用下，水分子吸附到活性位點單原子Ru上，在單原子Ru的催化下，電解水產生氧氣。

“終極能源”氫能市場化的關鍵一環是氫氣高效廉價的制取。其中，電解水是最被看好的制備方式之一。然而，電解水過程中必需的高效廉價的氧氣析出催化劑是當前面臨的最困難挑戰之一

中國科學技術大學吳宇恩教授課題組近日運用創新工藝，在氧析出催化劑取得重大突破，為電解水制氫的工業化推進重要一步。

氧析出常用的商用催化劑是二氧化銥。銥金屬市價為240元-250元/克，工業上通過二氧化銥電解水制氫成本是33元-38元/千克，而轉化為相同的能量所需的汽油成本是25元-29元。這是高能、清潔、廉價的氫能源推廣的重大阻礙。相比之下，另一個可作為催化關鍵元素的釕金屬市價為19.5-20.5元/克，地球儲量更豐富，價格更廉價，如果用于工業，能夠有效降低氫氣制備成本，便于其推廣。

可惜的是，在強酸、強氧化性環境中，二氧化釕在高的工作電位下極易被氧化為四氧化釕，從而失去催化活性。最主要原因是二氧化釕中的晶格氧參與了產物氧氣的析出。因此，開發出一種高活性和高穩定的釕單原子催化劑，是解決上述問題最有潛力的途徑。

釕基催化劑在酸性氧析出中的穩定性是一個公認的世界難題。吳宇恩教授團隊早在2014年就開始研究釕元素的應用。為實現高效廉價的電解水制氫，該團隊經過多年的實驗探索，創新性地提出利用抗氧化能力和抗溶解能力強的鉑基合金為載體，利用表面缺陷工程技術捕獲和穩定單原子的方法成功制備了釕單原子合金催化劑，該釕單原子合金催化劑相對于商業釕基催化劑的過電位降低了大約30%，穩定性提高了近10倍。

新加坡國立大學化學系的楊文祥教授對該成果做出了很高的評價，認為吳宇恩教授團隊的工作成功實現了“通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”。

吳宇恩教授課題組制備了一種單原子釕(Ru)催化劑，可使酸性氧析出僅需要較低過電位 (220 mV)，極大地加快了氧析出過程。/美術設計：崔劼

論文第一作者么艷彩博士說，相關實驗證實該釕單原子合金催化劑相比于商業釕基催化劑在酸性電解水反應中具有更好的活性、抗過氧化和抗溶解能力。

在這項研究中，研究人員不僅成功實現了將單原子釕嵌入穩定合金載體中從而制備出高效催化劑，而且從中深受啟發。“利用金屬/合金載體調控單原子電子結構的策略可以應用于其它反應體系中，這或許能為許多類似的科學問題提供思路。”吳宇恩教授說。