在UC Santa Cruz開發(fā)的一種新型釕基催化劑在堿性水電解中用于制氫的性能明顯優(yōu)于商業(yè)鉑催化劑。催化劑是由碳納米線組成的納米結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，其中釕原子與氮和碳鍵合以在碳基質(zhì)內(nèi)形成活性位點(diǎn)。

水的電化學(xué)分裂產(chǎn)生氫氣是氫氣作為清潔，環(huán)保燃料的發(fā)展中的關(guān)鍵步驟。降低成本和提高該工藝效率的大部分努力都集中在尋找昂貴的鉑基催化劑的替代品上。

在加州大學(xué)圣克魯茲分校，由化學(xué)和生物化學(xué)教授Shaowei Chen領(lǐng)導(dǎo)的研究人員一直在研究通過將釕和氮納入碳基納米復(fù)合材料制成的催化劑。他們于2月7日在Nature Communications上發(fā)表的新發(fā)現(xiàn)不僅展示了其釕基催化劑的令人印象深刻的性能，而且還提供了對所涉及機(jī)制的見解，這可能會導(dǎo)致進(jìn)一步改進(jìn)。

“這清楚地表明，釕在催化水中氫的生成方面具有顯著的活性，”陳說。“我們還對原子尺度的材料進(jìn)行了表征，這有助于我們了解機(jī)理，我們可以將這些結(jié)果用于合理設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)釕基催化劑。”

該材料的電子顯微鏡和元素映射分析顯示釕納米顆粒以及碳基質(zhì)內(nèi)的各個(gè)釕原子。令人驚訝的是，研究人員發(fā)現(xiàn)催化活性的主要部位是單個(gè)釕原子而不是釕納米顆粒。

“這是一個(gè)突破，因?yàn)樵S多研究將催化活性歸因于釕納米顆粒。我們發(fā)現(xiàn)單個(gè)原子是主要的活性位點(diǎn)，盡管納米顆粒和單個(gè)原子都有助于活性，”第一作者Bingzhang Lu，研究生說。在加州大學(xué)圣克魯茲分校的Chen實(shí)驗(yàn)室。

盧與化學(xué)和生物化學(xué)助理教授袁平合作，進(jìn)行理論計(jì)算，說明為什么釕單原子比釕納米顆粒更具活性催化中心。

“我們根據(jù)第一原理進(jìn)行了獨(dú)立計(jì)算，以顯示釕如何與這種材料中的碳和氮形成鍵，以及這如何降低反應(yīng)勢壘以提供更好的催化活性，”Ping說。

陳說他已經(jīng)為釕基催化劑的實(shí)驗(yàn)制備申請了專利。他指出，除了作為可持續(xù)能源系統(tǒng)一部分的氫生產(chǎn)的潛在應(yīng)用之外，堿性水電解已經(jīng)廣泛用于化學(xué)工業(yè)，因?yàn)橐环N稱為氯堿電解的相關(guān)工藝也可以使用釕催化劑。 。因此，對于更便宜，更有效的催化劑已經(jīng)存在大的市場。

水的電解產(chǎn)生氫氣可以在酸性或堿性條件下進(jìn)行，每種方法都有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。鉑催化劑在酸性介質(zhì)中比在堿性介質(zhì)中更有效。Chen表示，釕基催化劑在酸性介質(zhì)中的表現(xiàn)幾乎與鉑一樣好，而在堿性介質(zhì)中表現(xiàn)優(yōu)于鉑。

在未來的工作中，研究人員將尋求最大化材料中活性位點(diǎn)的數(shù)量。他們還可能會研究在同一納米復(fù)合材料平臺中使用其他金屬。