東國(guó)大學(xué)開發(fā)高效低成本綠色制氫新方法

在各類清潔能源中，氫氣（H?）因其高熱值和凈零碳排放特性，被視為理想的能源載體。質(zhì)子交換膜水電解（PEMWE）是一種前景廣闊、清潔且高效的制氫方式，其產(chǎn)物為高純度氫氣，副產(chǎn)物僅為氧氣。若與可再生電力相結(jié)合，該技術(shù)有望實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的氫氣生產(chǎn)。

近年來，金屬單原子催化劑（M-SACs）在質(zhì)子交換膜水電解領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。由于每一個(gè)金屬原子都可作為獨(dú)立的活性催化位點(diǎn)，這類材料相比傳統(tǒng)催化劑能更高效地利用貴金屬資源，在降低成本的同時(shí)提升催化性能。然而，在最適用于 PEMWE 的高負(fù)載 M-SACs 中，金屬原子在合成或電解過程中容易發(fā)生團(tuán)聚，從而導(dǎo)致催化活性和耐久性下降。

為解決這一問題，韓國(guó)東國(guó)大學(xué)能源與材料工程系助理教授 Jitendra N. Tiwari 與 Young-Kyu Han 教授 領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)，開發(fā)了一種創(chuàng)新性的 M-SACs 合成方法。

Tiwari 教授解釋道：“我們的技術(shù)以金屬氫氧化物作為犧牲模板，并通過兩步高溫?zé)崽幚磉^程進(jìn)行協(xié)同還原，該方法利用空間位阻效應(yīng)有效抑制金屬原子團(tuán)聚，從而實(shí)現(xiàn)真正的原子級(jí)分散金屬單原子催化劑。”

該研究成果已于 2025 年 10 月 28 日在線發(fā)布，并發(fā)表于 2026 年 1 月出版的《Materials Science & Engineering R》第 168 卷。

研究團(tuán)隊(duì)以 β-氫氧化鎳（β-Ni(OH)?） 為模板，成功合成了鉑（Pt）基單原子催化劑 β-PtSAsS800 和 β-PtSAsS850。在合成過程中，將干燥后的 β-Ni(OH)?、鉑前驅(qū)體和雙氰胺混合物，在氮?dú)鈿夥障路謩e于 800°C 或 850°C 進(jìn)行熱解。β-Ni(OH)? 模板有效限制了金屬離子的遷移，而雙氰胺則提供碳（C）和氮（N）源。最終形成的催化劑結(jié)構(gòu)為：?jiǎn)蝹€(gè)鉑原子與氮原子鍵合，并以原子級(jí)分散狀態(tài)錨定在石墨化納米片上。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系列催化劑表現(xiàn)出卓越的電催化性能。其中，β-PtSAsS850 的過電位低至 15 毫伏，周轉(zhuǎn)頻率（TOF）較商業(yè) Pt/C 催化劑提高 72–78 倍。同時(shí)，該材料展現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性，在連續(xù)測(cè)試 超過 10 天 后仍能保持結(jié)構(gòu)與性能不變。值得注意的是，基于 β-PtSAsS850 的 PEMWE 系統(tǒng)性能超過了美國(guó)能源部（DOE）2026 年目標(biāo)，顯示出良好的工業(yè)應(yīng)用潛力，并在 超過 200 小時(shí) 的運(yùn)行中保持穩(wěn)定表現(xiàn)。

理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)分析表明，該優(yōu)異性能源于嵌入石墨化片層中的 Pt–N? 催化活性位點(diǎn)，其可顯著降低氫氣生成的能壘。此外，研究人員還成功合成了銥（Ir）、鈀（Pd）和釕（Ru）等其他金屬的單原子催化劑，驗(yàn)證了該合成策略的普適性。

Han 教授總結(jié)道：“我們的策略為合成高活性金屬單原子催化劑提供了一條全新路徑，對(duì)于開發(fā)高效的能量轉(zhuǎn)換與儲(chǔ)能器件具有重要價(jià)值。此外，該催化劑在電解水制氫中的卓越表現(xiàn)，有望首次使氫能在經(jīng)濟(jì)性上與化石燃料競(jìng)爭(zhēng)。長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，這將加速氫能的規(guī)模化應(yīng)用，為應(yīng)對(duì)氣候變化作出重要貢獻(xiàn)。”

原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0927796X25002086?via%3Dihub

（素材來自：東國(guó)大學(xué) 全球氫能網(wǎng)、新能源網(wǎng)綜合）