用于綠色制氫的單原子二聚體電催化劑

化石燃料的有限儲量和不斷增加的氣候變化威脅促使研究人員開發替代技術來生產環保燃料。使用可再生電力電解水產生的綠色氫被認為是未來的下一代可再生能源。但實際上，由于電解成本高，絕大多數氫燃料是從化石燃料的提煉中獲得的。

目前，由于缺乏用于析氫反應的有效電催化劑，水電解的效率是有限的并且通常需要高電池電壓。貴金屬如鉑(Pt)被用作催化劑，以改善酸性/堿性介質中的氫氣生成。然而，這些貴金屬催化劑價格昂貴，長期運行穩定性差。

單原子催化劑比基于納米材料的催化劑具有優勢，可實現高達100%的原子利用率，而只有納米粒子的表面原子可用于反應。然而，由于單金屬原子中心的簡單性，對催化劑進行進一步修飾以進行復雜的多步反應是相當困難的。

修飾單個原子的最簡單方法是將它們變成單原子二聚體，將兩個不同的單個原子結合在一起。由于兩個不同原子之間的協同效應，用二聚體調整單原子催化劑的活性位點可以改善反應動力學。然而，雖然單原子二聚體結構的合成和鑒定在概念上是已知的，但其實際實現卻非常困難。

這個問題由位于成均館大學基礎科學研究所(IBS)的集成納米結構物理中心的副主任LEEHyoyoung領導的研究小組解決。IBS研究團隊成功開發出穩定在氮摻雜碳載體上的原子分散Ni-Co二聚體結構，命名為NiCo-SAD-NC。

“我們在氮(N)摻雜的碳載體上合成了Ni-Co單原子二聚體結構，通過將Ni/Co離子原位捕獲到聚多巴胺球中，然后通過精確控制的N配位熱解。我們采用了狀態-最先進的透射電子顯微鏡和X射線吸收光譜以原子精度成功識別這些NiCo-SAD位點，”該研究的第一作者AshwaniKumar說。

研究人員發現，在氬氣氣氛中在800°C下退火兩個小時是獲得二聚體結構的最佳條件。其他單原子二聚體，如CoMn和CoFe也可以使用相同的方法合成，這證明了他們策略的通用性。

研究小組根據驅動析氫反應所需的過電位評估了這種新系統的催化效率。NiCo-SAD-NC電催化劑在酸性和堿性介質中具有與商用Pt基催化劑相當的過電壓水平。在堿性介質中，NiCo-SAD-NC的活性也比Ni/Co單原子催化劑和多相NiCo納米粒子高八倍。同時，它在酸性介質中的活性分別比Co和Ni單原子催化劑高17倍和11倍，比傳統Ni/Co納米粒子高13倍。

此外，研究人員還展示了新型催化劑的長期穩定性，能夠在不發生任何結構變化的情況下驅動反應50小時。與其他單原子二聚體和Ni/Co單原子位點相比，NiCo-SAD表現出優異的水離解和最佳質子吸附，基于密度泛函理論模擬提高了pH通用催化劑的活性。

“我們很高興地發現，新型NiCo-SAD結構以低得多的能壘解離水分子，并在堿性和酸性介質中加速析氫反應，其性能與Pt相當，解決了單個Ni和Co單原子催化劑。這種單原子二聚體結構的合成是單原子催化劑領域的一個長期挑戰，”該研究的通訊作者李副主任指出。

他進一步解釋說，“這項研究使我們更接近無碳和綠色氫經濟。這種高效且廉價的制氫電催化劑將幫助我們克服具有成本競爭力的綠色氫生產的長期挑戰：生產高以低廉的價格和環保的方式為商業應用提供純氫。”