用於電解水制氫高性能氧化物納米纖維電催化劑檢視原始碼討論檢視歷史
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用於電解水制氫高性能氧化物納米纖維電催化劑源材料。
應用領域
氫能
成果簡介：
「協同作戰」的原子陣列催化劑 金屬活性位點在非均相催化中起着至關重要的作用，根本上決定了催化反應的反應本徵特性。目前，廣泛研究的金屬非均相催化劑根據金屬活性位點原子排布狀態大體可分為單原子、團簇和納米顆粒三種類型。單原子催化劑，一般將活性位點隨機分布在載體表面，在催化反應中大多表現出「單兵作戰」的催化形式，能夠實現100%原子利用效率，但這一特徵也導致其一般適用於依託單一孤立位點的相關催化反應。相比單原子催化劑，團簇或者納米顆粒結構可以實現多金屬位點活性中心協同催化過程。但是，團簇或納米顆粒在催化反應中往往原子利用率低，且活性金屬原子間距受材料本徵特性桎梏，難以調控。是否存在一種特殊類型的金屬分散狀態，既能保持100%原子利用效率，又能有效調控活性金屬原子間距，從而滿足特定催化反應的具體需求，實現原子間「協同作戰」，大幅提升活性？
近日，東華大學李小鵬教授團隊聯合韓國漢陽大學李政昊教授[2]團隊，復旦大學劉智攀團隊和中科院上海光源姜政教授團隊, 在Nat. Catal. 2021, 4, 1012提出了一個新的候選解決方案——「原子陣列」催化劑（圖1）。作者依託一步陽離子交換法，以金屬釕原子取代晶態氧化物載體的表面陽離子（Ru/MnO2），實現了類似 「羅馬軍團」的局部規整釕原子排布結構。相比於晶態氧化釕的原子間距（dRu-Ru = 3.1 Å），原子陣列結構中的釕原子排列遵循載體Mn原子結構排序，dRu-Ru降至2.9 Å。在酸性電解水反應過程中，原子間距的精細調控實現了臨位釕原子上吸附的氧自由基直接快速耦合生成氧氣分子，大幅度降低了反應能壘。這一特殊的新型活性位點結構設計思路與調控手段，成功實現了反應過程從依託單活性位點的傳統反應機制向需要雙中心協同催化的新型反應機制的過渡。且該原子陣列結構合成方法簡單，通過調控載體可實現不同規整原子陣列結構的合成，賦予該類催化劑極強的可設計性。 另外通過氧化錳載體與釕的動態在酸性電解水的時候會置換反應，這克服了釕的溶出問題，使得該催化劑獲得了獨有的自修復能力。Ru/MnO2的活性與穩定性均大幅度超越商業化催化劑以及現有文獻報道的催化劑，且製備簡單能夠實現放大生產（專利申請號：202110262336.5）。Ru/MnO2在提升電解水制氫效率的同時，使得陽極催化劑成本降低50倍以上。 該研究工作得到了國家自然科學基金，上海市人才發展資金，上海市東方學者，東華大學勵志計劃的支持。
經濟效益與社會效益
降低現有電解水制氫催化劑的成本5-8倍左右，同時提升能量轉換效率。