中国科大电解水析氢催化剂结构研究获突破 制“剂”成本骤降制氢速率大增

本报讯氢作为一种高效、清洁的可再生能源，是本世纪的一大热点，电解水制氢由于零污染、零排放的优势而受到越来越多研究者的注意。作为其中的关键一环，各种新型催化材料也层出不穷。近日，中国科学技术大学的宋礼教授和江俊教授合作，推陈出新，独辟蹊径，利用催化效果最好的铂金属巧妙设计了遍布针尖的“松球结构”催化剂，在保持催化制氢效果不变的情况下，与商业铂碳催化剂相比，铂金属的用量仅有原来的七十五分之一，大大降低了催化剂的成本。相关成果在线发表在6月3日的《自然·能源》杂志上。

据介绍，催化过程一般都发生在催化剂表面，且参与反应的是单个或邻近的几个原子。那么按照传统方式制造的铂催化剂，表层的铂原子忙得不亦乐乎，内层的铂原子却只能无所事事干瞪眼。怎样才能让催化剂中的铂原子都动起来呢？

宋礼教授课题组想到了一个好办法，能够最大化地使铂原子处于催化剂的表面。首先，相对于之前的研究，他们选择了单位质量下拥有最大表面的球形，将之前扁平的催化剂做成一颗颗“球”，将以前局限在二维平面的反应改造成了三维立体的反应。曾经的一间小平房被改造成了一个球形小高层，可容纳的人数——也就是可以发生反应的场地大大增加了。同时，每个铂原子都位于球形的表面，保证了它们都在“生产一线”。这样催化剂形成了一个表面满是针尖的“球”，每个针尖都是一个单原子铂，没有“人”可以“躲”在后面偷懒。江俊教授说：“这个设计还带来一个惊喜的附加效果，理论模拟发现，弯曲的球面会在尖端铂原子处形成非常强的局域电场，相当于给铂原子脚上加了一个加速履带，可以进一步增强催化效率。”

测试结果表明，当电解溶液中的反应物通过一颗颗表面遍布针尖的“松球”时，形成氢气的速率大大增加。宋礼教授说：“在产氢量相同的情况下，我们设计的催化剂只需要一份铂，而传统商业铂碳催化剂则需要七八十份的铂，这在很大程度上降低了催化剂的成本。”

对于这一研究成果，审稿人高度评价说：“这是一项关于单原子催化剂的相当复杂的研究，作者通过维度设计来调节电荷和局部电场，提高了铂原子的催化作用。我很欣赏这些有趣的想法。”

铂金属在电化学制氢反应中拥有很重要的地位，该成果最大限度地减少铂用量但并未影响制氢反应催化效果，有望实现规模化应用；同时深入理解了催化剂效果与结构之间的联系，为进一步优化催化剂的性能指明了方向。

范琼新安晚报安徽网大皖客户端记者陈牧

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