近日，浙江大學化學工程與生物工程學院“百人計劃”入選者侯陽研究員，通過仿生學的方法，設計并開發出一種單原子OER催化劑，將高度分散的鎳單原子錨定在氮-硫摻雜的多孔納米碳基底上，用于高效電/光電催化水裂解析氧反應。這項成果被知名學術雜志《自然通訊》(Nature Communications)在線報道。
要設計新型催化劑，侯陽課題組從材料的原子結構開始剖析。課題組發現在葉綠體中存在一種金屬-氮配位卟啉結構，該結構能夠收集太陽能，利用光合作用氧化反應分解水，并釋放出氧氣。“近年來，類似鎳、鈷、鐵等過渡金屬與氮配位摻雜的碳材料被認為是OER反應過程中催化劑的有力候選者。”侯陽介紹。于是他們進一步分析發現了鎳-氮配位摻雜的碳材料，在這一特殊結構中，四個氮原子“拉著”金屬鎳原子，吸引氫氧根離子吸附，降低了各種中間環節的轉換難度，進而加速氧氣析出。“與析氫反應相比，析出氧氣是四電子反應，相對來說更難制備，氧氣產生了，氫氣制備的問題就迎刃而解。”
為了進一步加快催化效率，侯陽課題組繼續改進鎳-氮配位結構。侯陽打了個比方，鎳-氮配位摻雜的碳材料結構相對穩定，就好像四個力量相當的人各往一個方向使出均勻的力度。于是，侯陽課題組提出能否換置其中一個氮原子，如同換上一個不同的大力士，適當地協調中心鎳原子對氫氧根離子的吸附和后續產物的解吸附能力。
“用1個硫單原子替換1個氮只是其中一種方法，由此可以選擇不同力量的單原子進入鎳-氮配位結構中，打破原有的穩態，形成新的催化劑，這也為系列催化材料奠定了基礎。”他說。
鎳-氮材料極不穩定，需要“錨定”在碳基底上，這個過程就像船靠岸的時候，從船上扔下一個很重的錨不讓船動。通過工藝迭代，研究人員制備的負載在氮-硫共摻雜多孔納米碳上的鎳單原子催化劑展現出獨特的2D層狀結構，其厚度約為32納米，長度為幾微米。得益于高比表面積和高度分散活性位點，這種新型催化劑電極在堿性條件下表現出優異的電催化水裂解析氧活性和穩定性。
實驗發現，該課題組研制的鎳單原子錨定氮-硫摻雜的多孔納米碳催化劑，相比市場上廣泛應用的商業銥基催化劑，這種新型催化劑的過電位降低了大約5%，也就是說驅動反應的能量降低5%，同時成本降低了80%以上，并且穩定性大幅度提高，展現出工業級電解水制氫的潛能。
OER析氧反應是水裂解器件和金屬-空氣電池的核心過程。談及未來的應用，侯陽介紹，新一代燃料電池汽車對高能量密度提出重要需求，水裂解產生的氫氣能源將發揮重要作用。與此同時，以鋰硫電池為動力的新能源汽車目標是500瓦時/公斤(Wh/kg)，讓汽車可以跑一天。未來要進一步提高電池效能，就需要金屬-空氣這一新型燃料電池，OER析氧反應是其中氧化反應的重要一環。
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責任編輯：Rex_07
