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我国科学家发明新型催化剂,让电解水制氢更便宜!

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近日,中国科学技术大学吴宇恩教授课题组发明出一种廉价高效的新型氧析出催化剂,把电解水制氢工业化向前推进了一大步。

该成果被选为本月《自然-催化》的封面文章。

吴宇恩团队的研究成果登上本月《自然-催化》封面。

储量大、零污染的氢能被誉为人类的“终极能源”,而实现氢能市场化的关键一环是氢气的高效廉价制取。然而,电解水制氢所必需的高效廉价的氧气析出催化剂,是当前面临的最困难挑战之一。

据吴宇恩教授介绍,目前氧析出常用的商用催化剂是二氧化铱。但铱的价格昂贵,目前市价为240-250元/克,工业上通过二氧化铱电解水制氢成本是33-38元/千克,远高于转化为相同能量所需的汽油成本——25-29元/千克。这称为高能、清洁、廉价的氢能源推广的重大阻碍。相比之下,另一个可作为催化关键元素的金属钌,其市价只有19.5-20.5元/克,不仅价格远低于铱,而且储量更丰富。“如果能用金属钌制备出提取氢气的催化剂,将有效降低氢气的制备成本。

“可惜的是,在强酸、强氧化性环境中,二氧化钌在高的工作电位下极易被氧化为四氧化钌,从而失去催化活性。”吴宇恩说,“因此,开发出一种高活性和高稳定的钌单原子催化剂,是解决上述问题最有潜力的途径。”

为攻克钌基催化剂在酸性氧析出过程中的稳定性这一世界难题,吴宇恩教授团队早在2014年就开始研究钌元素的应用。为实现高效廉价的电解水制氢,该团队经过多年的实验探索,采用全新的方法成功制备了钌单原子合金催化剂。“这种催化剂相对于商业钌基催化剂的过电位降低了大约30%,稳定性提高了近10倍。”

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上图:氧析出和氧还原被称为氢能高效利用领域的两大圣杯。然而,在酸性氧析出运行环境中,不仅需要高过电位而且催化剂的稳定性很差,这就导致氧析出的动力学极其缓慢。下图:吴宇恩教授课题组制备了一种单原子钌(Ru)催化剂,可使酸性氧析出仅需要较低过电位 (220 mV),极大地加快了氧析出过程。

新加坡国立大学化学系的杨文祥教授对该成果做出了很高的评价,认为吴宇恩教授团队的工作成功实现了“通过应力工程调控单原子钌的电子结构,从而进一步提高其在酸性氧析出中的活性和稳定性”。

论文第一作者么艳彩博士说,相关实验证实,相比于商业钌基催化剂,钌单原子合金催化剂在酸性电解水反应中具有更好的活性、抗过氧化和抗溶解能力。

据介绍,在这项研究中,研究人员不仅成功实现了将单原子钌嵌入稳定合金载体中从而制备出高效催化剂,而且可能为许多类似的科学问题提供解决思路。

氧析出和氧还原反应被国际科学界并称为氢能高效利用的两大圣杯。吴宇恩认为,高效廉价制取氢气的两大圣杯之一——氧析出,即将被科研人员捧得。“这标志着人类向氢能广泛应用的绿色未来迈进了一大步。”


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