近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)吳宇恩教授課題組運用創(chuàng)新工藝，在氧析出催化劑研究中取得重大突破，將電解水制氫的工業(yè)化推進(jìn)重要一步，該成果被選為本月的《自然·催化》封面文章。

“終極能源”氫能市場化的關(guān)鍵一環(huán)是氫氣高效廉價的制取。其中，電解水是最被看好的制備方式之一。然而，電解水過程中必需的高效廉價的氧氣析出催化劑是當(dāng)前面臨的最困難挑戰(zhàn)之一，與“非鉑氧還原催化劑的開發(fā)”并稱為氫能高效利用領(lǐng)域的兩大“圣杯”。

氧析出常用的商用催化劑是二氧化銥。銥金屬市價為240~250元/克，工業(yè)上通過二氧化銥電解水制氫成本是33~38元/千克，而轉(zhuǎn)化為相同的能量所需的汽油成本是25~29元。這是高能、清潔、廉價的氫能源推廣的重大阻礙。相比之下，另一個可作為催化關(guān)鍵元素的釕金屬市價為19.5~20.5元/克，地球儲量更豐富、更廉價，如果用于工業(yè)，能夠有效降低氫氣制備成本，便于其推廣。

可惜的是，在強(qiáng)酸、強(qiáng)氧化性環(huán)境中，二氧化釕在高的工作電位下極易被氧化為四氧化釕，從而失去催化活性。最主要原因是二氧化釕中的晶格氧參與了產(chǎn)物氧氣的析出。因此，開發(fā)出一種高活性和高穩(wěn)定的釕單原子催化劑，是解決上述問題最有潛力的途徑。

釕基催化劑在酸性氧析出中的穩(wěn)定性是一個公認(rèn)的世界難題。吳宇恩教授團(tuán)隊早在2014年就開始研究釕元素的應(yīng)用。為實現(xiàn)高效廉價的電解水制氫，該團(tuán)隊經(jīng)過多年的實驗探索，創(chuàng)新性地提出利用抗氧化能力和抗溶解能力強(qiáng)的鉑基合金為載體，利用表面缺陷工程技術(shù)捕獲和穩(wěn)定單原子的方法成功制備了釕單原子合金催化劑，該釕單原子合金催化劑相對于商業(yè)釕基催化劑的過電位降低了大約30%，穩(wěn)定性提高了近10倍。

新加坡國立大學(xué)化學(xué)系的楊文祥教授對該成果做出了很高的評價，認(rèn)為吳宇恩教授團(tuán)隊的工作成功實現(xiàn)了“通過應(yīng)力工程調(diào)控單原子釕的電子結(jié)構(gòu)，從而進(jìn)一步提高其在酸性氧析出中的活性和穩(wěn)定性”。

《自然·催化》四月刊封面：酸性電解液的環(huán)境中，在外加電位作用下，水分子吸附到活性位點單原子Ru上，在單原子Ru的催化下，電解水產(chǎn)生氧氣。

論文第一作者么艷彩博士說，相關(guān)實驗證實該釕單原子合金催化劑相比于商業(yè)釕基催化劑在酸性電解水反應(yīng)中具有更好的活性、抗過氧化和抗溶解能力。

在這項研究中，研究人員不僅成功實現(xiàn)了將單原子釕嵌入穩(wěn)定合金載體中從而制備出高效催化劑，而且從中深受啟發(fā)?！袄媒饘?合金載體調(diào)控單原子電子結(jié)構(gòu)的策略可以應(yīng)用于其他反應(yīng)體系中，這或許能為許多類似的科學(xué)問題提供思路?！眳怯疃鹘淌谡f。

專家稱，高效廉價制取氫氣的一個“圣杯”即將被科研人員奪取，這標(biāo)志著向氫能廣泛應(yīng)用的綠色未來邁進(jìn)了一大步。（記者常河）