科技日報(bào)杭州5月13日電 (記者江耘 實(shí)習(xí)生洪恒飛 通訊員柯溢能)13日,記者從浙江大學(xué)獲悉,該校化學(xué)工程與生物工程學(xué)院侯陽研究員,通過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,設(shè)計(jì)開發(fā)出了一種單原子OER催化劑,能使電/光電催化水裂解析氧反應(yīng)更加高效,從而提升氫氣制備的效率。這種新型催化劑可降低80%的制氫成本,并大幅提升OER反應(yīng)的穩(wěn)定性。該成果已被知名學(xué)術(shù)期刊《自然通訊》在線報(bào)道。

通過水裂解產(chǎn)生氧氣,進(jìn)而形成氫氣,是最常見的氫氣制備方法,其產(chǎn)生的電/光電催化析氧反應(yīng)(OER),會(huì)限制整體的能量轉(zhuǎn)換效率。此前有科研人員研究出了金屬銥作為催化劑來提升反應(yīng)效率,但其價(jià)格十分昂貴。因此,研制出既保證催化效果又價(jià)格低廉的替代品,成了學(xué)界面臨的難題。

侯陽課題組通過仿生學(xué)方法,從材料的原子結(jié)構(gòu)開始剖析。他們發(fā)現(xiàn)葉綠體中存在一種金屬——氮配位卟啉結(jié)構(gòu),可收集太陽能,利用光合作用氧化反應(yīng)分解水,并釋放出氧氣。侯陽介紹,他們還通過分析發(fā)現(xiàn)了鎳—氮配位摻雜的碳材料。

“在這一特殊結(jié)構(gòu)中,四個(gè)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(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)換難度,進(jìn)而加速氧氣析出。”侯陽稱,課題組創(chuàng)新性地用一個(gè)硫單原子替換了一個(gè)氮原子,進(jìn)一步優(yōu)化材料表面的電荷分布,同時(shí)采用特殊工藝,將鎳—氮材料“錨定”在碳基底上,規(guī)避了材料的不穩(wěn)定性,最終使這種新型催化劑電極在堿性條件下表現(xiàn)出優(yōu)異的電催化水裂解析氧活性和穩(wěn)定性。

“OER析氧反應(yīng)是水裂解器件和金屬—空氣電池的核心過程”。侯陽表示,這項(xiàng)成果或?qū)⒅π乱淮鷼淠芷嚧笠?guī)模降低燃料成本。