研究人员开发新的单原子催化剂 可以利用尿素超快制氢

新能源汽车讯 氢被广泛视为零碳排放替代燃料。大多数商用氢燃料是从天然气（一种主要由甲烷组成的气态化石燃料）中提取的。由于化石燃料储量有限，而且容易对环境产生负面影响，研究人员尝试开发替代技术，通过生态友好型工艺来生产氢燃料，如水分解制氢。然而，水分解制氢的效率较低，因为析氧反应速度较慢，需要高达12.3V的热力学电压。

（图片来源：IBS）

为了节省制氢能量，用尿素氧化反应（UOR）代替缓慢的水分解反应，具有广阔的前景。尿素电解具有良好的热力学条件，热力学电压为0.37V。这样做还可以缓解尿素污染问题，每年约有 2.2万亿吨富含尿素的废水被排放到河流中。使用基于铂和铑等贵金属的催化剂，可以提高该氧化过程的效率。然而，这类贵金属催化剂的成本很高，而且在长期运行过程中性能表现较差。

最近，与基于纳米材料的催化剂相比，单原子催化剂（SAC）表现出卓越的性能。然而，由于表面原子具有迁移倾向，单原子催化剂的金属负载量较低(< 3 wt%)，对规模化应用提出严峻挑战。  

据外媒报道，在成均馆大学（Sungkyunkwan University）基础科学研究所（IBS）集成纳米结构物理中心副主任LEE Hyoyoung的带领下，该IBS研究团队开发了一项策略，以实现金属单原子位点的超高负载。这是通过在载体材料上引入表面应变来实现的，可以明显促进尿素氧化，辅助生产氢燃料。

主要研究人员Ashwani Kumar表示：“我们使用液氮淬火法，在氧化钴(Co3O4)表面产生拉伸应变。超高冷却速率使淬火样品的晶格参数因热膨胀而增大，在氧化物表面产生拉伸应变。与原始Co3O4表面相比，Co3O4的应变表面能使铑单原子(RhSA；6.6wt%体积负载和11.6wt%表面负载)的位点负载稳定在200%以上。我们发现，与原始表面相比，应变表面可以明显提高RhSA的迁移能垒，抑制其迁移和聚合。”

Lee指出，“我们非常兴奋地发现，稳定在应变Co3O4表面的高负载RhSA，在碱性和酸性介质中都表现出优异的UOR活性和稳定性，比商用Pt/C和Rh/C要好得多。在此之前，SAC领域从未报道过这种表面应变策略。”研究人员还发现，这种单原子位点高负载策略不仅局限于铑。通过表面应变策略，可以使其他贵金属（如铂、铱和钌等）的超高负载单原子位点得到稳定，从而为这一发现得到更广泛的应用奠定基础。

为了使用这种新催化剂进行尿素氧化，该研究团队评估了所需的催化效率和工作电压。与可逆氢电极（RHE）相比，这种领先的催化剂（应变Co3O4上的RhSA）仅需1.28V，即可获得每平方厘米电极10mA的电流密度，低于商用铂和铑催化剂（分别为1.34和1.45V）。此外，在不改变结构的情况下，该催化剂还表现出长达100小时的长期稳定性。该团队利用密度泛函理论模拟，探讨新型催化剂性能优异的原因。结果发现，这是由于CO*/NH*中间体具有良好的尿素吸附性和稳定作用。此外，比起水电解制氢，尿素电解制氢可节能约16.1%。

Lee表示：“这项研究为可扩展应用提供了稳定高负载单原子位点的整体策略，这是SAC领域长期存在的问题。此外，这项研究将促进实现无碳和节能的氢经济。这种高效的尿素氧化电催化剂，有助于克服化石燃料精炼过程中存在的长期挑战，以成本更低和对环境影响更少的方式，为商业应用生产高纯度氢。”