科技日報杭州5月13日電 (記者江耘 實習生洪恒飛 通訊員柯溢能)13日,記者從浙江大學獲悉,該校化學工程與生物工程學院侯陽研究員,通過將高度分散的鎳單原子錨定在氮—硫摻雜的多孔納米碳基底,設計開發出了一種單原子OER催化劑,能使電/光電催化水裂解析氧反應更加高效,從而提升氫氣制備的效率。這種新型催化劑可降低80%的制氫成本,并大幅提升OER反應的穩定性。該成果已被知名學術期刊《自然通訊》在線報道。

通過水裂解產生氧氣,進而形成氫氣,是最常見的氫氣制備方法,其產生的電/光電催化析氧反應(OER),會限制整體的能量轉換效率。此前有科研人員研究出了金屬銥作為催化劑來提升反應效率,但其價格十分昂貴。因此,研制出既保證催化效果又價格低廉的替代品,成了學界面臨的難題。

侯陽課題組通過仿生學方法,從材料的原子結構開始剖析。他們發現葉綠體中存在一種金屬——氮配位卟啉結構,可收集太陽能,利用光合作用氧化反應分解水,并釋放出氧氣。侯陽介紹,他們還通過分析發現了鎳—氮配位摻雜的碳材料。

“在這一特殊結構中,四個氮原子‘拉著’金屬鎳原子,吸引氫氧根離子吸附,降低了各種中間環節的轉換難度,進而加速氧氣析出。”侯陽稱,課題組創新性地用一個硫單原子替換了一個氮原子,進一步優化材料表面的電荷分布,同時采用特殊工藝,將鎳—氮材料“錨定”在碳基底上,規避了材料的不穩定性,最終使這種新型催化劑電極在堿性條件下表現出優異的電催化水裂解析氧活性和穩定性。

“OER析氧反應是水裂解器件和金屬—空氣電池的核心過程”。侯陽表示,這項成果或將助力新一代氫能汽車大規模降低燃料成本。