近日，中國科學技術大學吳宇恩教授課題組運用創新工藝，在氧析出催化劑取得重大突破，為電解水制氫的工業化推進重要一步 ，該成果被選為4月的《自然.催化》封面文章。該工作為如何解決Ru基催化劑在酸性氧化性條件下不穩定這一國際性難題提供了新的思路。研究成果作為封面文章發表在國際頂尖催化期刊《自然·催化》。
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https://www.nature.com/articles/s41929-019-0246-2
隨著環境問題和能源問題的日益突出，新能源汽車成為世界各大汽車廠商及研發機構的研究熱點，而其中燃料電池汽車以其高效率和近零排放被普遍認為具有廣闊的發展前景。燃料電池常用的燃料是氫氣，要想大規模發展燃料電池技術，就要大力發展低成本制H2的方法。如今，絕大多數的氫氣製備是通過“甲烷水蒸氣重整”的工藝，但面臨著CO2溫室氣體釋放，對環境不友好。而電解水制氫工藝過程簡單，無碳排放汙染，是有望取代“甲烷水蒸氣重整”，成為製備氫燃料的下一代清潔方法。目前，電解水面臨的最大問題是制氫成本。工業上電解水制氫成本是33-38元/千克，1kg氫氣產生相同能量所對應的汽油成本是25-29元。因此，未來要想實現燃料電池技術取代內燃機，就必須大力發展高效廉價的催化劑來降低制氫成本。
圖1：上圖：氧析出和氧還原反應被稱為氫能高效利用領域的兩大聖盃。然而，在酸性氧析出運行環境中，不僅需
酸性電解水的過電勢主要來自於氧析出的陽極部分，而開發出高效廉價的酸性條件下的氧析出催化劑是所有電解水技術中最困難也是最有挑戰性的，可以和“非Pt氧還原催化劑的開發”並稱為氫能高效利用領域的兩大聖盃。氧析出（OER）常用的商用催化劑是IrO2。與銥(Ir)（240-250元/克）相比，釕(Ru)（19.5-20.5元/克）地球儲量更豐富，價格更廉價。然而，在強酸、強氧化性環境中，RuO2在高的工作電位下極易被氧化為RuO4，導致其失活。其中，Ru失活的最主要原因是RuO2中的晶格氧參與了產物氧氣的析出。因此，開發出一種高活性和高穩定的Ru單原子催化劑從而避免OER反應過程中催化劑晶格氧參與，是解決上述問題最有潛力的途徑。
中國科學技術大學吳宇恩教授領導的團隊利用表面缺陷工程技術捕獲和穩定單原子的方法成功製備了Ru單原子合金催化劑。首先，利用抗氧化能力和抗溶解能力強的Pt基合金為載體，通過酸刻蝕和電化學浸出的方法在合金表面製造出豐富的缺陷位用於穩定和捕獲單原子Ru。進一步通過來自於Pt-skin殼體的壓縮應力調控分散在金屬載體上的單原子Ru的電子結構，優化Ru與含氧中間體的結合能力，從而使該Ru單原子合金催化劑在酸性OER中具有更好的活性、抗過氧化和抗溶解能力。在酸性OER中，該Ru單原子合金催化劑相對於商業Ru基催化劑的過電位降低了~30%，穩定性提高了~10倍。
圖2：《自然·催化》本期封面文章：酸性電解液的環境中，在外加電位作用下，水分子吸附到活性位點單原
中國科學技術大學李微雪教授團隊為該工作提供了理論支持。通過密度泛函理論研究表明，Pt-skin殼的壓縮應變調製了原子級分散的Ru的電子結構，優化了與氧中間體的成鍵強弱，得到了OER活性與合金基底晶格之間的火山曲線關係。電荷轉移分析表明單原子Ru抗過氧化能力的提高主要來自於與其配位的PtCu合金，其金屬性配位環境提供了豐富電子、阻止了活性組分Ru1的過渡氧化。
該論文第一作者是麼豔彩博士、胡素磊博士後和陳文星博士後，通訊作者是李微雪教授、吳宇恩教授。論文第一單位是中國科學技術大學。該工作得到了國家自然科學基金委、科技部、中組部、中國科學院、安徽省科委、中國科大領軍人才計劃等項目聯合資助。（來源：中國科大）
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