实现氢合成中单金属原子位点超高负载的新方法

氢是一种被广泛推荐为零碳排放替代燃料的化学元素。然而，大多数商业氢燃料生产是通过提炼化石燃料实现的。

由于化石燃料储量有限，以及它们对环境的负面影响，研究人员一直致力于开发替代技术。这项技术将有助于通过一种环境友好的过程生产氢燃料。

电解自然界中充足的水，是利用可再生能源获得的电力生产所谓“绿色氢”的一种方法。但由于析氧反应缓慢(OER)，电解水的效率受到很大限制，需要1.23 V的高热力学电压。

尿素氧化反应(UOR)具有良好的热力学条件(0.37 V，热力学电压)，因此，用尿素氧化反应(UOR)取代缓慢的水电解为氢气的生成储存能量提供了很大的前景。还有一个额外的好处是减少尿素污染问题，每年有近2.2亿吨富含尿素的废水被排放到河流中。

催化剂是基于贵金属，如铑(Rh)和铂(Pt)，以提高氧化过程的速度。但贵金属催化剂价格昂贵，长期使用性能较差。

近年来，单原子催化剂(SACs)比基于纳米材料的催化剂表现出了显著的性能。亚博网站下载但是由于表面原子迁移的趋势，SACs的低金属负载(< 3% wt%)成为可扩展应用的主要问题。

在综合纳米结构物理中心副主任李孝荣的指导下基础科学研究所亚博老虎机网登录(IBS)位于成均馆大学，来自IBS的研究小组提出了一个策略，以达到超高负载的单金属原子位置。这是通过启动支持材料的表面应变实现的，使显著的尿素氧化辅助氢燃料生成。

采用液氮淬火法在氧化钴(Co .)表面产生拉伸应变_3.O₄）.超高的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。

Ashwani Kumar，基础科学研究所综合纳米结构物理中心第一作者和博士候选人亚博老虎机网登录

”Co_3.O₄铑单原子(RhSA;6.6% wt%散装装载和11.6% wt%表面装载)站点的原始公司_3.O₄表面。我们发现，与原始表面相比，应变表面可以显著增加RhSA的迁移能垒，抑制他们的迁移和聚集,”Kumar补充说。

我们非常兴奋地发现，高负荷的RhSA稳定在应变钴上_3.O₄在碱性和酸性介质中均表现出优异的UOR活性和稳定性，远远优于工业Pt/C和Rh/C．在我们发现之前，这种表面应变策略在SACs领域从未被报道过．

李孝英，基础科学研究所综合纳米结构物理中心研究通讯作者和副主任亚博老虎机网登录

此外，科学家们发现，这种高负荷单原子位置的计划不仅限于铑。其他贵金属如铱、铂和钌的超高负载在应变表面策略的帮助下稳定了单原子位置。这为更广泛地应用这一突破提供了基础。

本课题组利用该催化剂对尿素氧化的催化效率和工作电压进行了评估。最新催化剂(RhSAo n strain Co_3.O₄)只需要1.28 V对可逆氢电极(RHE)，以达到10 mA(毫安)每厘米的电流密度²相对于工业铑催化剂和铂催化剂的1.34 V和1.45 V的需求而言，该电极的需求较低。

此外，催化剂还表现出100小时的长期稳定性，没有任何结构变化。该小组利用密度泛函理论模拟研究了新催化剂优异性能的来源。这是CO/ nhh中间体的优异尿素吸附和稳定的结果。另外，尿素电解制氢的能耗比水电解多约16.1%。

这项研究为可扩展的应用程序提供了稳定高负载单原子站点的通用策略，这是sac领域的一个长期问题。除了，这项研究让我们离无碳、节能的氢经济又近了一步．

李孝英，基础科学研究所综合纳米结构物理中心研究通讯作者和副主任亚博老虎机网登录

”这种高效的尿素氧化电催化剂将帮助我们克服化石燃料精炼过程的长期挑战:以低价格和环保的方式生产用于商业应用的高纯度氢气”李补充道。

期刊引用:

库马尔,A。,等．(2021)发现了超高负载的单金属原子通过前所未有尿素电解的表面张力-应变。能源与环境科学亚博老虎机网登录．doi.org/10.1039/D1EE02603H．

来源:https://www.ibs.re.kr/eng.do