松针尖上的舞蹈——电解水析氢催化剂结构的重大进化

2019-06-06 14:32:39　来源: 科技日报 作者: 吴长锋

能源是文明永恒的主题，氢能作为一种高效的清洁可再生能源更是本世纪的一大热点。电解水制氢由于零污染、零排放的优势而受到越来越多研究者的注意。作为其中关键的一环，各种新型催化材料也层出不穷。近日，中国科学技术大学的宋礼教授和江俊教授合作，推陈出新，独辟蹊径，利用催化效果最好的铂金属巧妙设计了遍布针尖的“松球结构”催化剂，在保持催化制氢效果不变的情况下，与商业铂碳催化剂相比，铂金属的用量降低了近75倍，大大降低了催化剂的成本。相关成果在线发表在6月3日的《自然•能源》上。

红楼梦的贾府，干活的几个人忙得团团转，但是还有一堆闲杂人等，消耗成本，却毫无所出。传统催化剂也存在类似的问题。催化过程一般都发生在催化剂的表面，且参与反应的是单个或近邻的几个原子。那么按照传统方式制造的铂催化剂，表层的铂原子忙得不亦乐乎，内层的铂原子却只能无所事事地干瞪眼。怎样让催化剂中的铂原子不吃大锅饭，每个都动起来呢？

宋礼教授课题组想到了一个好办法，能够最大化地使铂原子处于催化剂的表面。首先，相对于之前的研究，他们选择了单位质量下拥有最大表面的球形，将之前扁平的催化剂都做成一颗颗“球”，将以前局限在二维平面的反应改造成了三维立体的反应。曾经的一间小平房被改造成了一个球形小高层，可容纳的人数——也就是可以发生反应的场地——大大增加了。同时，每个铂原子都位于球形的表面，保证了它们都在“生产一线”。这样催化剂形成了一个表面满是针尖的“球”，每个针尖都是一个单原子铂，没有“人”可以“躲”在后面偷懒。江俊教授说：“这个设计还带来一个惊喜的附加效果，理论模拟发现，弯曲的球面会在尖端铂原子处形成非常强的局域电场，相当于给铂原子脚上加了一个加速履带，可以进一步增强催化效率。”

最后测试结果表明，当电解溶液中的反应物通过一颗颗的表面遍布针尖的“松球”时，形成氢气的速率大大增加。宋礼教授说：“在产氢量相同的情况下，我们设计的催化剂只需要一份铂，而传统商业铂碳催化剂则需要七八十份的铂，这在很大程度上降低了催化剂的成本。”

审稿人高度评价：“这是一项关于单原子催化剂的相当复杂的研究，作者通过维度设计来调节电荷和局部电场，提高铂原子的催化作用。我很欣赏这些有趣的想法。”

铂金属在电化学制氢反应中拥有很重要的地位，本工作最大限度地减少铂用量但并未影响制氢反应催化效果，有望实现规模化应用；同时深入理解了催化剂效果与结构之间的联系，为进一步优化催化剂的性能指明了方向。

中国科学技术大学宋礼教授和江俊教授课题组合作，巧妙设计铂原子催化剂结构，使得电解溶液通过表面布满针尖的催化剂“松球”时，产氢效率大大提高。/李进图（图）

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