中國科學技術大學宋禮教授和江俊教授課題組合作，巧妙設計鉑原子催化劑結構，
使得電解溶液通過表面布滿針尖的催化劑“松球”時，產氫效率大大提高。/李進圖
 

      能源是文明永恒的主題，氫能作為一種高效的清潔可再生能源更是本世紀的一大熱點。電解水制氫由于零污染、零排放的優勢而受到越來越多研究者的注意。作為其中關鍵的一環，各種新型催化材料也層出不窮。近日，中國科學技術大學的宋禮教授和江俊教授合作，推陳出新，獨辟蹊徑，利用催化效果最好的鉑金屬巧妙設計了遍布針尖的“松球結構”催化劑，在保持催化制氫效果不變的情況下，與商業鉑碳催化劑相比，鉑金屬的用量降低了近75倍，大大降低了催化劑的成本。相關成果在線發表在6月3日的《自然•能源》上。

 

      紅樓夢的賈府，干活的幾個人忙得團團轉，但是還有一堆閑雜人等，消耗成本，卻毫無所出。傳統催化劑也存在類似的問題。催化過程一般都發生在催化劑的表面，且參與反應的是單個或近鄰的幾個原子。那么按照傳統方式制造的鉑催化劑，表層的鉑原子忙得不亦樂乎，內層的鉑原子卻只能無所事事地干瞪眼。怎樣讓催化劑中的鉑原子不吃大鍋飯，每個都動起來呢？

 

      宋禮教授課題組想到了一個好辦法，能夠最大化地使鉑原子處于催化劑的表面。首先，相對于之前的研究，他們選擇了單位質量下擁有最大表面的球形，將之前扁平的催化劑都做成一顆顆“球”，將以前局限在二維平面的反應改造成了三維立體的反應。曾經的一間小平房被改造成了一個球形小高層，可容納的人數——也就是可以發生反應的場地——大大增加了。同時，每個鉑原子都位于球形的表面，保證了它們都在“生產一線”。這樣催化劑形成了一個表面滿是針尖的“球”，每個針尖都是一個單原子鉑，沒有“人”可以“躲”在后面偷懶。江俊教授說：“這個設計還帶來一個驚喜的附加效果，理論模擬發現，彎曲的球面會在尖端鉑原子處形成非常強的局域電場，相當于給鉑原子腳上加了一個加速履帶，可以進一步增強催化效率。”

 

       最后測試結果表明，當電解溶液中的反應物通過一顆顆的表面遍布針尖的“松球”時，形成氫氣的速率大大增加。宋禮教授說：“在產氫量相同的情況下，我們設計的催化劑只需要一份鉑，而傳統商業鉑碳催化劑則需要七八十份的鉑，這在很大程度上降低了催化劑的成本。”

 

       審稿人高度評價：“這是一項關于單原子催化劑的相當復雜的研究，作者通過維度設計來調節電荷和局部電場，提高鉑原子的催化作用。我很欣賞這些有趣的想法。”

 

       鉑金屬在電化學制氫反應中擁有很重要的地位，本工作最大限度地減少鉑用量但并未影響制氫反應催化效果，有望實現規模化應用；同時深入理解了催化劑效果與結構之間的聯系，為進一步優化催化劑的性能指明了方向。