新型催化剂“助跑”氢能汽车

氢作为新一代清洁能源，具有无污染、燃烧价值高、资源广泛等优点。生产氢气最常见的方法是通过分解水产生氧气，进而形成氢气。这种电/光电催化析氧反应（OER）过程涉及四电子转移的复杂反应过程，反应动力学慢且过电势大，限制了整体能量转换效率。

为此，研究人员开发了贵金属铱作为催化剂来加速反应效率。但不可否认的是，铱的成本太高，每克单价接近黄金的两倍。

长期以来，科学研究人员一直在努力寻找廉价的替代品。然而，研究成果往往总体催化效率较低，催化机理和活性位点难以捉摸。

近日，浙江大学化学工程与生物工程学院研究员侯阳通过仿生学方法设计研发了一种单原子OER催化剂，将高度分散的镍单原子锚定在氮硫掺杂的多孔纳米碳基底上。用于高效电/光电催化水分解和氧解吸反应。相关成果在线发表于。

发现镍氮配位掺杂碳材料

为了设计一种新的催化剂，侯阳的研究团队首先分析了材料的原子结构。研究小组发现叶绿体中存在金属-氮配位卟啉结构。该结构利用光合氧化反应收集、分解水，并释放氧气。

“近年来，掺杂镍、钴、铁等过渡金属并与氮配位的碳材料被认为是 OER 反应过程中催化剂的有力候选者。” 侯阳告诉中国科学报，进一步分析发现镍氮配位掺杂碳材料。在这种特殊的结构中，四个氮原子“拉动”金属镍原子，吸引氢氧根离子进行吸附，降低了各个中间环节的转化难度，加速了氧气的析出。 “与析氢反应相比，析氧反应是四电子反应，相对来说制备难度更大。一旦产生氧气，制氢问题就很容易解决。”

为了进一步加快催化效率，研究团队不断改进镍氮配位结构。 “镍氮配位掺杂碳材料的结构相对稳定，就像四个力量相等的人，各自向一个方向均匀地施加力。” 因此，侯阳的研究团队询问是否可以替换其中的氮原子。就像更换了一个不同的大力神，适当协调中心镍原子对氢氧根离子的吸附和后续产物的解吸能力。

之后，研究团队利用球差校正扫描透射电子显微镜、电子能量损失光谱、X射线近边吸收光谱和扩展X射线吸收光谱，首次揭示了镍单原子锚定在氮中的现象。 -掺硫多孔纳米颗粒。在碳催化材料中，原子分散的镍单原子与周围的三个氮原子和一个硫原子形成配位结构，共掺杂到纳米碳骨架中作为催化活性位点。理论计算结果表明，硫原子的引入优化了镍氮掺杂纳米碳表面的电荷分布，大大降低了OER反应势垒，从而大大加速了OER反应动力学，从而使其在电力/光伏方面具有高效性。催化性能和优异的稳定性。

“用一个硫原子取代一个氮只是一种方法，由此可以选择不同强度的单个原子进入镍氮配位结构，打破原有的稳态，形成新的催化剂。这也提供了一系列催化材料奠定了基础。”侯阳说。

新型催化剂优势充分展现

镍氮材料极不稳定，需要“锚定”在碳基材上。侯阳将这个过程比喻为“就像在船靠岸时从船上抛下一个沉重的锚，以防止其移动”。通过工艺迭代，研究人员制备的氮硫共掺杂多孔纳米碳负载镍单原子催化剂表现出独特的二维层状结构，厚度约为32纳米，长度为数微米。得益于高比表面积和高度分散的活性位点，这种新型催化剂电极在碱性条件下表现出优异的电催化水分解氧解吸活性和稳定性。

实验发现，团队研发的镍单原子锚定氮硫掺杂多孔纳米碳催化剂的过电势比市场上广泛使用的商用铱基催化剂降低了约5%，即能量驱动反应减少。 5%，同时成本降低80%以上，稳定性大幅提高，展现了工业级水电解制氢的潜力。

OER析氧反应需要电或光电驱动。研究团队进一步将制备好的电催化剂选择性沉积在氧化铁电极表面，形成高效的太阳能驱动水分解集成光阳极。 “通过这种设计，可以利用太阳能产生电能来驱动整个催化反应，节省额外的驱动功率。”

汽车需要提高电池性能才能跑得更远

OER析氧反应是水分解装置和金属空气电池的核心过程。谈及未来应用，侯阳介绍，新一代燃料电池汽车对高能量密度提出了重要要求，水分解产生的氢能将发挥重要作用。同时，锂硫电池动力的新能源汽车的目标是500Wh/kg，可以让汽车跑一天。未来为了进一步提高电池性能，需要一种新型的金属-空气燃料电池，其中OER析氧反应是氧化反应的重要组成部分。

记者了解到，该研究不仅设计开发了高效稳定的过渡金属-氮-硫原子级电催化剂，还为如何设计低成本、高活性的人工固氮合成氨、高值化利用提供了指导。二氧化碳和氧气的还原。为催化材料的设计提供了新的思路。

该工作得到国家自然科学基金、浙江省杰出青年基金、浙江大学“百人计划”启动基金等项目的支持。合作完成这项工作的还有德国德累斯顿工业大学和华中师范大学的研究人员。

相关论文信息：DOI:/10.1038/-019-09394-5