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单原子催化剂打破电水解制氢效率纪录

2021/9/14

美国能源部SLAC国家加速器实验室和斯坦福大学的科学家们报告称，一种将单个铱原子固定在催化剂表面的新方法提高了催化剂分解水分子的效率，达到了创纪录的水平。

这是该方法首次应用于析氧反应(OER)。OER是电解过程的一部分，电解过程使用电将水分解成氢和氧。

如果由可再生能源提供动力，电解可以更可持续地生产氢气和化学物质，并减少化石燃料的使用。但OER的缓慢步伐一直是其提高效率以在公开市场竞争的瓶颈。

该团队表示，这项研究的结果可以缓解这一瓶颈，并为观察和理解这些单原子催化反应中心在真实环境下如何运作开辟了新途径。

他们的研究结果发表在《美国国家科学院院刊》上。

化学工业的支柱

催化剂是化学工业的支柱，为可持续能源的未来提供了希望。就像媒人一样，它们从流动的液体或气体中抓取分子，使它们相互反应而不消耗自己。为了使这一过程的效率最大化，催化剂纳米颗粒通常分散在多孔材料的表面，这为同时发生许多反应提供了最大的表面积。

但只有纳米粒子之外的原子才能参与催化;里面的东西都被浪费了。当催化剂是昂贵的贵金属时，如铱或铂，即使是少量的材料浪费也是昂贵的。因此，科学家们一直在研究使用这些贵重金属的单个原子。

每个原子都是一个催化反应中心。它们的微小尺寸意味着更多的单元可以安装在一个给定的支撑结构的表面上。这大大增加了与反应物接触的活性催化剂的数量和同时发生的反应的数量，提高了效率。

在这项研究中，由斯坦福大学教授Yi Cui和SLAC科学家Michal Bajdich领导的团队开发了一种新方法，能够将单个铱原子附着在支撑表面上。

这项实验由斯坦福大学博士后郑学丽和唐静进行，由SLAC助理科学家Alessandro Gallo对x射线数据进行了理论模拟，揭示了哪种构型是最稳定和最有效的。

为了制造新的催化剂，研究人员首先创造了一个多孔结构来支持催化反应的铱原子。

他们将这种泡沫状结构暴露在含有铱化合物的溶液中，迅速将其冻结，在其表面形成一层薄薄的富含铱的“冰”，并进行了额外的处理，以创建单个铱原子粘附在支撑表面的均匀分布位置。

对工作中的催化剂的x射线观察显示，铱原子处于一种化学状态，使它们在进行释放氧气的水分裂反应时异常高效。

其他测试表明，活动的增加完全是由于铱作为孤立原子的存在，而不是由于它们扩大的表面积。

研究人员报告说，由此产生的催化剂比迄今为止已知的大多数铱基催化剂都要好。他们说，新的原子锚定系统为探索和建立各种电催化反应的催化剂及其支撑结构之间的联系提供了一个理想的模型。

斯坦福大学材料与能源科学研究所(SIMES)的研究员崔毅和斯坦福大学联合研究机构SUNCAT界面科学与催化中心的研究员Michal Bajdich在那里进行了理论计算。

在SLAC的斯坦福同步辐射光源(SSRL)和劳伦斯伯克利国家实验室的先进光源(ALS)进行了催化剂的x射线观测，并在国家能源研究科学计算中心(NERSC)进行了计算;这三个都是能源部科学办公室的用户设施。

来自伯克利实验室分子铸造厂和美国国家标准与技术研究所材料测量设施的研究人员也对这项由美国能源部科学办公室资助的工作做出了贡献。