一种新的单原子催化剂可以以惊人的速度从尿素中制氢

Frontier 10月 14, 2021 2.12w 浏览 0

虽然氢被广泛认为是零碳排放的替代燃料，但大部分商业氢燃料生产是从化石燃料的提炼中获得的。化石燃料的有限储量及其对环境的负面影响鼓励研究人员开发替代技术，通过环保工艺生产氢燃料。这种“绿色氢”可以通过电解水生产，水是自然界中丰富的，使用来自可再生能源的电力。然而，由于析氧反应 (OER) 缓慢，水电解的效率受到显着限制，这需要 1.23 V 的高热力学电压。

为了节省氢气产生的能量，由于尿素电解的热力学有利（0.37 V，热力学电压）条件，用尿素氧化反应（UOR）代替缓慢的水电解提供了很大的希望。缓解尿素污染问题还有另一个优势，每年约有 22,000 亿吨富含尿素的废水排放到河流中。基于贵金属的催化剂，如铂 (Pt) 和铑 (Rh)，用于提高氧化过程的速率。然而，这些贵金属催化剂非常昂贵，并且在长期运行下表现不佳。

最近，与基于纳米材料的对应物相比，单原子催化剂 (SAC) 显示出卓越的性能。然而，由表面原子迁移的趋势引起的 SAC 的低金属负载（< 3 wt%）对可扩展应用构成了严峻挑战。

在位于成均馆大学基础科学研究所 (IBS) 的集成纳米结构物理中心副主任 LEE Hyoyoung 的带领下，IBS 研究团队开发了一种实现单金属原子位点超高负载的策略。这是通过在载体材料上引入表面应变来实现的，这允许产生特殊的尿素氧化辅助氢燃料。

研究小组评估了使用这种新型催化剂进行尿素氧化所需的催化效率和工作电压。高级催化剂（应变 Co ₃ O ₄上的Rh _SA）与可逆氢电极 (RHE) 相比仅需要 1.28 V 电压即可达到 10 mA（毫安）/cm ²的电流密度电极的电压，分别低于商用 Pt 和 Rh 催化剂对 1.34 和 1.45 V 的要求。此外，催化剂还表现出100小时的长期稳定性，结构没有任何变化。该小组使用密度泛函理论模拟来探索新催化剂非凡性能的起源，这表明这是由于卓越的尿素吸附和 CO*/NH* 中间体的稳定性。此外，与电解水产生氢气相比，尿素电解可节省约 16.1% 的能源。

这项研究为稳定可扩展应用程序的单原子站点的高负载提供了一般策略，这是 SAC 领域的一个长期问题。此外，这项研究使我们更接近无碳节能的氢经济。这种高效的尿素氧化电催化剂将帮助我们克服化石燃料精炼过程的长期挑战：以低价和环保的方式生产用于商业应用的高纯度氢气。

该研究于9月30日在线发表在环境与能源领域的世界知名期刊《能源与环境科学（IF 38.53）》上。获取更多前沿科技研究进展访问：https://byteclicks.com

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使用稳定在应变氧化物表面的高负载 RhSA 的 UOR 工艺示意图（左）。用于绿色析氢的全尿素电解系统（中）。尿素电解与水电解相比节能（右）。

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