成均館大學開發高效持久的電催化劑 促進氫燃料生產

2020-11-26 蓋世汽車網

蓋世汽車訊 傳統制氫工藝需要使用化石燃料或CO2，而電解法則從水分子中提取「綠色氫氣」。由於水本身不能分解為氫和氧，因此需要通過高活性電催化劑來實現電化學氫水轉化過程。然而，由於析氧反應緩慢，傳統水電解法面臨著提高水分解反應效率的技術挑戰。採用貴金屬基氧化釕（RuO2）和氧化銥（IrO2）可以提高產氧率，但這些貴金屬催化劑價格昂貴，而且長期使用穩定性差。

 表面富氧金屬合金的晶體結構（上左）；在水電解反應中產生氧和氫（上右）；該催化劑設計表現出具有最小過電位的最佳析氧活性（下圖）。（圖片來源：phys.org）

據外媒報導，在成均館大學基礎科學研究所（IBS）綜合納米結構物理中心副主任Lee HyoYoung的領導下，IBS研究小組開發了一種高效、持久的電催化劑，利用鈷、鐵和微量釕實現水氧化。 

主要研究人員Lee Jinsun和Kumar Ashwani表示：「我們使用兩親性嵌段共聚物，來控制單釕原子-雙金屬合金中的靜電引力。這些共聚物能夠促進碳氫化合物分子球形團簇的合成，而這些分子的可溶性和不溶性部分形成核心和殼層。在這項研究中，受益於獨特的化學結構趨勢，可以合成存在於穩定的鈷鐵金屬複合材料（周圍是有缺陷的多孔石墨化碳殼）上的高性能單原子釕合金。 

Lee表示：「我們非常激動地發現，在合成過程中，Co-Fe合金表面的預吸附氧（在合成過程中被吸附），可以穩定氧生成反應中的一個重要中間體（OOH），提高催化反應的整體效率。在此之前，人們對表面預吸附氧幾乎沒有興趣。」 

研究人員發現，在750攝氏度的氬氣環境中退火四小時是最適合氧氣生成過程的條件。除了宿主金屬表面的有利反應環境外，產生氧的單個釕原子也通過降低能壘來發揮作用，協同提高產氧效率。 

研究團隊根據析氧反應需要的過電壓指標來評估催化效率。相比之下，高級貴金屬電催化劑每平方釐米只需180mV的過電壓就能達到10mA的電流密度，而氧化釕需要298 mV。此外，單釕原子-雙金屬合金可在長達100小時的時間內保持穩定，而不出現任何結構變化。同時，含石墨碳的鈷、鐵合金還可以補償導電性，提高析氧速率。 

Lee表示：「這項研究將促進綠色無碳氫經濟的發展。我們可以利用高效、廉價的制氧電催化劑，進一步克服化石燃料精煉過程中存在的長期挑戰，以環保低成本方式生產商用高純度氫氣。」

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