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“终极能源”氢能市场化的关键一环是氢气高效廉价的制取。其中，电解水是最被看好的制备方式之一。然而，电解水过程中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，与“非铂氧还原催化剂的开发”并称为氢能高效利用领域的两大圣杯。近日，中国科学技术大学吴宇恩教授课题组运用创新工艺，在氧析出催化剂取得重大突破，为电解水制氢的工业化推进重要一步，该成果被选为本月的《自然·催化》封面文章。
图1：上图：氧析出和氧还原反应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。/美术设计：崔劼
氧析出常用的商用催化剂是二氧化铱。铱金属市价为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，而转化为相同的能量所需的汽油成本是25-29元。这是高能、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钌金属市价为19.5-20.5元/克，地球储量更丰富，价格更廉价，如果用于工业，能够有效降低氢气制备成本，便于其推广。
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。最主要原因是二氧化钌中的晶格氧参与了产物氧气的析出。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。
图2：《自然﹒催化》四月刊封面：酸性电解液的环境中，在外加电位作用下，水分子吸附到活性位点单原子Ru上，在单原子Ru的催化下，电解水产生氧气。
钌基催化剂在酸性氧析出中的稳定性是一个公认的世界难题。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，创新性地提出利用抗氧化能力和抗溶解能力强的铂基合金为载体，利用表面缺陷工程技术捕获和稳定单原子的方法成功制备了钌单原子合金催化剂，该钌单原子合金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。
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，相关实验证实该钌单原子合金催化剂相比于商业钌基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。
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，而且从中深受启发。“利用金属/合金载体调控单原子电子结构的策略可以应用于其它反应体系中，这或许能为许多类似的科学问题提供思路。”吴宇恩教授说。
专家称，高效廉价制取氢气的一个圣杯即将被科研人员夺取，标志着向氢能广泛应用的绿色未来迈进了一大步。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41929-019-0246-2
文章来源： 中国科学技术大学
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