何勇民课题组在“单原子层”贵金属催化剂研究上取得重要进展

时间:2022-03-11 16:55 点击:

近日,我校化学化工学院何勇民教授和新加坡南洋理工大学刘政教授、南京航空航天大学张助华教授团队合作,设计了单原子层贵金属催化剂,该研究成果以“Amorphizing noble metal chalcogenide catalysts at the single-layer limit towards hydrogen production”为题在线发表在《Nature Catalysis》,并入选三月杂志封面。

该研究表明,这种单原子层催化剂原子利用率高达26%,产氢活性可以和纯的金属铂表面媲美,并具有一定的普适性,适合Pd, Ir, Os, Rh 和Ru等贵金属。

贵金属催化剂(如铂、钯等)因其高活性和选择性常被用于电解水产氢系统,燃料电池和空气电池等能源领域。然而,地球储量稀少(如铂地壳含量仅为亿分之五)和成本高昂(如铂200-250元/g)是阻碍了贵金属催化剂的大规模应用的关键因素。以汽车市场为例,2018 年燃料电池中 Pt 的总含量约为 0.117 g/kWgross,2020 年将降至 0.108 g/kWgross,预计2025 年将降至 0.064 g/kWgross 以满足燃料电池系统的成本需求。因此,如何提高贵金属利用率以降低成本是当前研究的主要方向。为了降低成本,贵金属的纳米化是一种提高利用率并降低质量负载的通用有效策略。当前,人们报道了各种各样的贵金属纳米结构,从大的三维的多孔结构、二维纳米片结构,一维的纳米线,到小的零维的纳米团簇乃至单个原子即单原子催化剂。沿着这一发展方向,贵金属催化剂纳米化的最终形态会是什么状态?

落脚电催化的界面反应特征,能否从界面的“面”出发设计由单层原子排布面结构(厚度小于1nm),且面内所有原子都有可能作为活性位点参加反应,来实现极大化的原子利用效率。基于此考虑,研究团队利用二维材料自身的原子层结构特征,发展“冷”等离子体技术均匀非晶化单层硒化铂面内,获得了铂基的单原子层催化剂。利用微纳电化学技术检测其整个面都具有活性,电解水产氢电流可以和纯的金属铂表面相媲美。该研究有望拓展当前催化剂体系的设计和降低贵金属催化剂的应用成本。

《Nature Catalysis》是国际公认的催化领域顶级期刊,主要发表催化前沿领域重要的原创性研究成果。湖南大学为第一单位,何勇民教授为第一作者和通讯作者。机械与运载工程学院段辉高教授,物理与微电子学院高彩天副教授和本团队硕士生石祖德参与了该项目研究。

贵金属单原子层催化剂。

(a)提出Pt单原子层催化剂的设计概念;

(b)利用微纳电化学技术验证电解水产氢活性;

(c)当前研究性能比较,其电流密度接近100%的 纯Pt表面。

来源:化工院

通讯员:丁杨

责任编辑:余楚倩

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