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成均馆大学开发高效持久的电催化剂 促进氢燃料生产

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58京牌 传统制氢工艺需要使用化石燃料或CO2,而电解法则从水分子中提取“绿色氢气”。由于水本身不能分解为氢和氧,因此需要通过高活性电催化剂来实现电化学氢水转化过程。然而,由于析氧反应缓慢,传统水电解法面临着提高水分解反应效率的技术挑战。采用贵金属基氧化钌(RuO2)和氧化铱(IrO2)可以提高产氧率,但这些贵金属催化剂价格昂贵,而且长期使用稳定性差。

 表面富氧金属合金的晶体结构(上左);在水电解反应中产生氧和氢(上右);该催化剂设计表现出具有最小过电位的最佳析氧活性(下图)。(图片来源:phys.org)

,在成均馆大学基础科学研究所(IBS)综合纳米结构物理中心副主任Lee HyoYoung的领导下,IBS研究小组开发了一种高效、持久的电催化剂,利用钴、铁和微量钌实现水氧化。 

主要研究人员Lee Jinsun和Kumar Ashwani表示:“我们使用两亲性嵌段共聚物,来控制单钌原子-双金属合金中的静电引力。这些共聚物能够促进碳氢化合物分子球形团簇的合成,而这些分子的可溶性和不溶性部分形成核心和壳层。在这项研究中,受益于独特的化学结构趋势,可以合成存在于稳定的钴铁金属复合材料(周围是有缺陷的多孔石墨化碳壳)上的高性能单原子钌合金。 

Lee表示:“我们非常激动地发现,在合成过程中,Co-Fe合金表面的预吸附氧(在合成过程中被吸附),可以稳定氧生成反应中的一个重要中间体(OOH),提高催化反应的整体效率。在此之前,人们对表面预吸附氧几乎没有兴趣。” 

研究人员发现,在750摄氏度的氩气环境中退火四小时是最适合氧气生成过程的条件。除了宿主金属表面的有利反应环境外,产生氧的单个钌原子也通过降低能垒来发挥作用,协同提高产氧效率。 

研究团队根据析氧反应需要的过电压指标来评估催化效率。相比之下,高级贵金属电催化剂每平方厘米只需180mV的过电压就能达到10mA的电流密度,而氧化钌需要298 mV。此外,单钌原子-双金属合金可在长达100小时的时间内保持稳定,而不出现任何结构变化。同时,含石墨碳的钴、铁合金还可以补偿导电性,提高析氧速率。 

Lee表示:“这项研究将促进绿色无碳氢经济的发展。我们可以利用高效、廉价的制氧电催化剂,进一步克服化石燃料精炼过程中存在的长期挑战,以环保低成本方式生产商用高纯度氢气。”

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