韓國科學(xué)家設(shè)計(jì)了成本低廉的釕基“核殼結(jié)構(gòu)催化劑”，提升了催化劑的商業(yè)化潛力，被著名催化雜志《能源與環(huán)境科學(xué)》選為封面論文。
核殼納米團(tuán)簇示意圖。圖片來源：首爾國立大學(xué)工程學(xué)院
首爾國立大學(xué)工學(xué)院宣布在環(huán)保氫氣生產(chǎn)方面取得重大進(jìn)展。由材料科學(xué)與工程系金鎮(zhèn)永教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)與國民大學(xué)的李燦宇教授和韓國科學(xué)技術(shù)研究院 ( KIST ) 的劉成鐘博士合作，開發(fā)出了一種非常先進(jìn)的電化學(xué)催化劑。這一突破有望推動(dòng)下一代可持續(xù)氫氣生產(chǎn)技術(shù)。
該催化劑采用具有核殼結(jié)構(gòu)的釕基納米團(tuán)簇。盡管只含有少量貴金屬，但它具有出色的性能和卓越的穩(wěn)定性。在工業(yè)規(guī)模的水電解系統(tǒng)中進(jìn)行測試時(shí)，它表現(xiàn)出令人印象深刻的效率，顯示出強(qiáng)大的商業(yè)應(yīng)用潛力。
（從左至右）Hyun Woo Lim 博士（第一作者，首爾國立大學(xué)材料科學(xué)與工程系）、Jin Young Kim 教授（通訊作者，首爾國立大學(xué)材料科學(xué)與工程系）、Chan Woo Lee 教授（通訊作者，國民大學(xué)應(yīng)用化學(xué)系）和 Sung Jong Yoo 博士（通訊作者，韓國科學(xué)技術(shù)研究院）。圖片來源：首爾國立大學(xué)工程學(xué)院
該項(xiàng)研究成果發(fā)表于催化領(lǐng)域的頂級(jí)期刊《能源與環(huán)境科學(xué)》 ，并被選為封面論文，凸顯了其創(chuàng)新方法和學(xué)術(shù)影響力。
氫氣被廣泛視為清潔能源，因?yàn)槿紵龝r(shí)不會(huì)排放二氧化碳，是化石燃料的有前途的替代品。生產(chǎn)環(huán)保氫氣的最有效方法之一是通過水電解，即利用電能將水分解為氫氣和氧氣。在各種電解方法中，陰離子交換膜水電解 (AEMWE) 因其能夠生產(chǎn)高純度氫氣而作為下一代技術(shù)受到關(guān)注。然而，要使 AEMWE 實(shí)現(xiàn)商業(yè)可行性，它需要既高效又具有長期穩(wěn)定性的催化劑。
納米粒子表現(xiàn)出高活性但低穩(wěn)定性，而塊體材料表現(xiàn)出高穩(wěn)定性但低活性。通過利用兩種材料的優(yōu)點(diǎn)，合成了一種兼具高活性和高穩(wěn)定性的核殼納米團(tuán)簇材料。圖片來源：《能源與環(huán)境科學(xué)》，最初發(fā)表于《能源與環(huán)境科學(xué)》
目前，鉑（Pt）是應(yīng)用最廣泛的制氫催化劑，但其成本高且降解速度快，帶來了重大挑戰(zhàn)。雖然研究人員已經(jīng)探索了非貴金屬替代品，但這些材料通常效率低、穩(wěn)定性差，不適合工業(yè)用途。
為了克服這些限制，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種基于釕 (Ru) 的新型核殼納米團(tuán)簇催化劑，其成本效益是鉑的兩倍多。通過將催化劑尺寸減小到 2 納米 (nm) 以下，并將貴金屬用量降至傳統(tǒng)鉑基電極所用量的三分之一，該團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了超越現(xiàn)有鉑催化劑的卓越性能。
新開發(fā)的催化劑性能比同等貴金屬含量的鉑催化劑高出4.4倍，為析氫反應(yīng)效率樹立了新標(biāo)桿，創(chuàng)下了迄今為止報(bào)道的析氫催化劑中的最高性能。其獨(dú)特的泡沫電極結(jié)構(gòu)優(yōu)化了反應(yīng)物質(zhì)的供應(yīng)，確保在高電流密度下也能保持出色的穩(wěn)定性。
在工業(yè)規(guī)模的 AEMWE 測試中，與商用鉑催化劑相比，新催化劑所需的功率明顯更低。這一結(jié)果鞏固了其作為下一代水電解技術(shù)變革性解決方案的潛力。
首先，通過初始熱液合成將二氧化鈦 (TiO?) 摻雜鉬 (Mo)。接下來，進(jìn)行額外的熱液合成，將氧化釕 (RuO?) 沉積到摻雜鉬的二氧化鈦基底上。隨后在空氣中進(jìn)行低溫?zé)崽幚?(200°C) 促進(jìn)鈦、鉬和氧化釕之間的擴(kuò)散，形成核殼結(jié)構(gòu)。最后，氫析出反應(yīng)過程中的電化學(xué)還原導(dǎo)致合成獨(dú)特的核殼納米團(tuán)簇材料。圖片來源：《能源與環(huán)境科學(xué)》，最初發(fā)表于《能源與環(huán)境科學(xué)》
開發(fā)過程涉及幾個(gè)關(guān)鍵創(chuàng)新。首先，研究團(tuán)隊(duì)用過氧化氫處理鈦泡沫基材，形成一層薄薄的二氧化鈦層。然后摻雜過渡金屬鉬（Mo）。接下來，將尺寸僅為 1-2 納米的氧化釕納米顆粒均勻沉積在改性基材上。
精確的低溫?zé)崽幚碚T導(dǎo)原子級(jí)擴(kuò)散，形成核殼結(jié)構(gòu)。在氫析出反應(yīng)中，電化學(xué)還原過程進(jìn)一步增強(qiáng)了材料的性能，形成了由多孔還原二氧化鈦單層包裹的釕金屬核，金屬鉬原子位于界面處。
展望未來，核殼納米團(tuán)簇催化劑有望顯著提高氫氣生產(chǎn)效率，同時(shí)大幅減少所需的貴金屬量，最終降低生產(chǎn)成本。其高性能和經(jīng)濟(jì)可行性的結(jié)合使其成為汽車氫燃料電池、環(huán)保交通系統(tǒng)、氫能發(fā)電廠和各種工業(yè)應(yīng)用的有力候選者。
除了實(shí)際應(yīng)用之外，這一突破代表了一項(xiàng)重大的技術(shù)進(jìn)步，可以加速從基于化石燃料的能源系統(tǒng)向氫驅(qū)動(dòng)經(jīng)濟(jì)的轉(zhuǎn)變。
金鎮(zhèn)永教授強(qiáng)調(diào)了這項(xiàng)研究的影響，他表示：“核殼催化劑盡管小于 2 納米，但表現(xiàn)出了卓越的性能和穩(wěn)定性。這一突破將為納米核殼器件制造技術(shù)和氫氣生產(chǎn)的發(fā)展做出重大貢獻(xiàn)，使我們更接近碳中和的未來?！?/p>
與此同時(shí)，這項(xiàng)研究的第一作者 Hyun Woo Lim 博士已被選入政府的世宗獎(jiǎng)學(xué)金計(jì)劃，并繼續(xù)在首爾國立大學(xué)金教授的實(shí)驗(yàn)室擔(dān)任博士后研究員進(jìn)行研究。他目前的重點(diǎn)是進(jìn)一步開發(fā)和商業(yè)化核殼催化劑技術(shù)。
編譯自/ScitechDaily
熱門跟貼