蓋世汽車訊 氫被廣泛視為零碳排放替代燃料。大多數(shù)商用氫燃料是從天然氣（一種主要由甲烷組成的氣態(tài)化石燃料）中提取的。由于化石燃料儲量有限，而且容易對環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面影響，研究人員嘗試開發(fā)替代技術(shù)，通過生態(tài)友好型工藝來生產(chǎn)氫燃料，如水分解制氫。然而，水分解制氫的效率較低，因為析氧反應(yīng)速度較慢，需要高達(dá)12.3V的熱力學(xué)電壓。

（圖片來源：IBS）

為了節(jié)省制氫能量，用尿素氧化反應(yīng)（UOR）代替緩慢的水分解反應(yīng)，具有廣闊的前景。尿素電解具有良好的熱力學(xué)條件，熱力學(xué)電壓為0.37V。這樣做還可以緩解尿素污染問題，每年約有 2.2萬億噸富含尿素的廢水被排放到河流中。使用基于鉑和銠等貴金屬的催化劑，可以提高該氧化過程的效率。然而，這類貴金屬催化劑的成本很高，而且在長期運行過程中性能表現(xiàn)較差。

最近，與基于納米材料的催化劑相比，單原子催化劑（SAC）表現(xiàn)出卓越的性能。然而，由于表面原子具有遷移傾向，單原子催化劑的金屬負(fù)載量較低(< 3 wt%)，對規(guī)?；瘧?yīng)用提出嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。  

據(jù)外媒報道，在成均館大學(xué)（Sungkyunkwan University）基礎(chǔ)科學(xué)研究所（IBS）集成納米結(jié)構(gòu)物理中心副主任LEE Hyoyoung的帶領(lǐng)下，該IBS研究團(tuán)隊開發(fā)了一項策略，以實現(xiàn)金屬單原子位點的超高負(fù)載。這是通過在載體材料上引入表面應(yīng)變來實現(xiàn)的，可以明顯促進(jìn)尿素氧化，輔助生產(chǎn)氫燃料。

主要研究人員Ashwani Kumar表示：“我們使用液氮淬火法，在氧化鈷(Co3O4)表面產(chǎn)生拉伸應(yīng)變。超高冷卻速率使淬火樣品的晶格參數(shù)因熱膨脹而增大，在氧化物表面產(chǎn)生拉伸應(yīng)變。與原始Co3O4表面相比，Co3O4的應(yīng)變表面能使銠單原子(RhSA；6.6wt%體積負(fù)載和11.6wt%表面負(fù)載)的位點負(fù)載穩(wěn)定在200%以上。我們發(fā)現(xiàn)，與原始表面相比，應(yīng)變表面可以明顯提高RhSA的遷移能壘，抑制其遷移和聚合?！?/p>

Lee指出，“我們非常興奮地發(fā)現(xiàn)，穩(wěn)定在應(yīng)變Co3O4表面的高負(fù)載RhSA，在堿性和酸性介質(zhì)中都表現(xiàn)出優(yōu)異的UOR活性和穩(wěn)定性，比商用Pt/C和Rh/C要好得多。在此之前，SAC領(lǐng)域從未報道過這種表面應(yīng)變策略。”研究人員還發(fā)現(xiàn)，這種單原子位點高負(fù)載策略不僅局限于銠。通過表面應(yīng)變策略，可以使其他貴金屬（如鉑、銥和釕等）的超高負(fù)載單原子位點得到穩(wěn)定，從而為這一發(fā)現(xiàn)得到更廣泛的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

為了使用這種新催化劑進(jìn)行尿素氧化，該研究團(tuán)隊評估了所需的催化效率和工作電壓。與可逆氫電極（RHE）相比，這種領(lǐng)先的催化劑（應(yīng)變Co3O4上的RhSA）僅需1.28V，即可獲得每平方厘米電極10mA的電流密度，低于商用鉑和銠催化劑（分別為1.34和1.45V）。此外，在不改變結(jié)構(gòu)的情況下，該催化劑還表現(xiàn)出長達(dá)100小時的長期穩(wěn)定性。該團(tuán)隊利用密度泛函理論模擬，探討新型催化劑性能優(yōu)異的原因。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這是由于CO*/NH*中間體具有良好的尿素吸附性和穩(wěn)定作用。此外，比起水電解制氫，尿素電解制氫可節(jié)能約16.1%。

Lee表示：“這項研究為可擴(kuò)展應(yīng)用提供了穩(wěn)定高負(fù)載單原子位點的整體策略，這是SAC領(lǐng)域長期存在的問題。此外，這項研究將促進(jìn)實現(xiàn)無碳和節(jié)能的氫經(jīng)濟(jì)。這種高效的尿素氧化電催化劑，有助于克服化石燃料精煉過程中存在的長期挑戰(zhàn)，以成本更低和對環(huán)境影響更少的方式，為商業(yè)應(yīng)用生產(chǎn)高純度氫。”

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