本报讯 近日，浙江大学化学工程与生物工程学院“百人计划”入选者侯阳研究员，通过仿生学的方法，设计并开发出一种单原子OER催化剂，将高度分散的镍单原子锚定在氮-硫掺杂的多孔纳米碳基底上，用于高效电/光电催化水裂解析氧反应。这项成果被知名学术杂志《自然通讯》(Nature Communications)在线报道。
要设计新型催化剂，侯阳课题组从材料的原子结构开始剖析。课题组发现在叶绿体中存在一种金属-氮配位卟啉结构，该结构能够收集太阳能，利用光合作用氧化反应分解水，并释放出氧气。“近年来，类似镍、钴、铁等过渡金属与氮配位掺杂的碳材料被认为是OER反应过程中催化剂的有力候选者。”侯阳介绍。于是他们进一步分析发现了镍-氮配位掺杂的碳材料，在这一特殊结构中，四个氮原子“拉着”金属镍原子，吸引氢氧根离子吸附，降低了各种中间环节的转换难度，进而加速氧气析出。“与析氢反应相比，析出氧气是四电子反应，相对来说更难制备，氧气产生了，氢气制备的问题就迎刃而解。”
为了进一步加快催化效率，侯阳课题组继续改进镍-氮配位结构。侯阳打了个比方，镍-氮配位掺杂的碳材料结构相对稳定，就好像四个力量相当的人各往一个方向使出均匀的力度。于是，侯阳课题组提出能否换置其中一个氮原子，如同换上一个不同的大力士，适当地协调中心镍原子对氢氧根离子的吸附和后续产物的解吸附能力。
“用1个硫单原子替换1个氮只是其中一种方法，由此可以选择不同力量的单原子进入镍-氮配位结构中，打破原有的稳态，形成新的催化剂，这也为系列催化材料奠定了基础。”他说。
镍-氮材料极不稳定，需要“锚定”在碳基底上，这个过程就像船靠岸的时候，从船上扔下一个很重的锚不让船动。通过工艺迭代，研究人员制备的负载在氮-硫共掺杂多孔纳米碳上的镍单原子催化剂展现出独特的2D层状结构，其厚度约为32纳米，长度为几微米。得益于高比表面积和高度分散活性位点，这种新型催化剂电极在碱性条件下表现出优异的电催化水裂解析氧活性和稳定性。
实验发现，该课题组研制的镍单原子锚定氮-硫掺杂的多孔纳米碳催化剂，相比市场上广泛应用的商业铱基催化剂，这种新型催化剂的过电位降低了大约5%，也就是说驱动反应的能量降低5%，同时成本降低了80%以上，并且稳定性大幅度提高，展现出工业级电解水制氢的潜能。
OER析氧反应是水裂解器件和金属-空气电池的核心过程。谈及未来的应用，侯阳介绍，新一代燃料电池汽车对高能量密度提出重要需求，水裂解产生的氢气能源将发挥重要作用。与此同时，以锂硫电池为动力的新能源汽车目标是500瓦时/公斤(Wh/kg)，让汽车可以跑一天。未来要进一步提高电池效能，就需要金属-空气这一新型燃料电池，OER析氧反应是其中氧化反应的重要一环。
本报记者 林洁 通讯员 柯溢能
