耐用电催化剂有助于提高氢燃料产量

美国能源部能源效率和可再生能源办公室每年10月8日庆祝国家氢和燃料电池日^th(2015年以来)突出氢基技术进步。

选择这个日期是为了表示氢的原子量为1.008。氢是宇宙中最常见的分子，不仅含量丰富，而且清洁，用途广泛。

当氢在燃料电池中消耗时(燃料电池将水分子(H₂然后将其分解成氢和氧，这个过程叫做电解)，然后产生电、水和热。作为一种零碳能源，其可能的用途是不可估量的:交通、工业、住宅、商业和便携式。

相比之下，传统的氢合成过程需要化石燃料或CO₂在美国，电解从水分子中产生“绿色氢”。由于水本身不能被分离成氢和氧，电化学的氢-水转换需要非常活跃的电催化剂。

传统的水电解法在提高裂解反应效率方面存在技术难题。贵金属基氧化铱(IrO₂)和氧化钌(RuO₂)，以提高产氧速率。但这些贵金属催化剂价格昂贵，连续运行时稳定性差。

IBS团队由综合纳米结构物理中心副主任李孝荣领导基础科学研究所欧洲杯线上买球该公司利用铁、钴和少量的钌，创造了一种非常高效和耐用的水氧化电催化剂。

我们使用“两亲嵌段共聚物”来控制单一钌(Ru)原子-双金属合金中的静电吸引。共聚物促进了球状碳氢分子簇的合成，其可溶和不可溶段形成了核和壳．

Jinsun Lee和Kumar Ashwani，研究第一作者，IBS

”在这项研究中，他们独特的化学结构的趋势使“高性能”单原子Ru合金的合成出现在稳定的钴铁(Co-Fe)金属复合材料上，周围是多孔的，有缺陷的石墨碳壳李和阿什瓦尼补充道。

我们非常兴奋地发现，Co-Fe合金表面预吸附的表面氧在合成过程中被吸附，稳定了产氧反应中的一个重要中间体(OOH*)，提高了催化反应的整体效率。在我们的发现之前，人们对预先吸收的表面氧并不感兴趣．

Hyoyoung Lee, IBS研究通讯作者和副主任

研究小组发现，在氩气气氛中750°C退火4小时是最适合氧气生产过程的设置。除了宿主金属表面的反应友好环境外，产生氧的单个Ru原子也通过降低能量势垒来满足其作用，从而协同提高析氧效率。

研究人员用析氧反应所需的过电压指标评估了催化效率。先进高贵的电催化剂只需要180mv(毫伏)过电压就能达到每厘米10 mA(毫安)的电流密度²催化剂，而若₂需要298 mV。

结果表明，单Ru原子双金属合金在100 h内表现出较高的稳定性，且无任何结构变化。此外，含石墨碳的铁钴合金还补偿了电导率，提高了析氧速率。

这项研究让我们离无碳绿色氢经济又近了一步。这种高效、廉价的电制氧催化剂将帮助我们克服化石燃料炼制过程的长期挑战:以低价格和环保的方式生产高纯度氢气用于商业应用．

Hyoyoung Lee, IBS研究通讯作者和副主任

期刊引用:

李,J。等．(2020)通过预吸附单个Ru原子-双金属合金表面氧稳定OOH*中间体，实现超低过电位产氧。能源与环境科学欧洲杯线上买球．doi.org/10.1039/D0EE03183F．

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