中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)宋禮教授和江俊教授課題組合作，巧妙設(shè)計(jì)鉑原子催化劑結(jié)構(gòu)，
使得電解溶液通過(guò)表面布滿針尖的催化劑“松球”時(shí)，產(chǎn)氫效率大大提高。/李進(jìn)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(jì)的一大熱點(diǎn)。電解水制氫由于零污染、零排放的優(yōu)勢(shì)而受到越來(lái)越多研究者的注意。作為其中關(guān)鍵的一環(huán)，各種新型催化材料也層出不窮。近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的宋禮教授和江俊教授合作，推陳出新，獨(dú)辟蹊徑，利用催化效果最好的鉑金屬巧妙設(shè)計(jì)了遍布針尖的“松球結(jié)構(gòu)”催化劑，在保持催化制氫效果不變的情況下，與商業(yè)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(guān)成果在線發(fā)表在6月3日的《自然•能源》上。

 

      紅樓夢(mèng)的賈府，干活的幾個(gè)人忙得團(tuán)團(tuán)轉(zhuǎn)，但是還有一堆閑雜人等，消耗成本，卻毫無(wú)所出。傳統(tǒng)催化劑也存在類(lèi)似的問(wèn)題。催化過(guò)程一般都發(fā)生在催化劑的表面，且參與反應(yīng)的是單個(gè)或近鄰的幾個(gè)原子。那么按照傳統(tǒng)方式制造的鉑催化劑，表層的鉑原子忙得不亦樂(lè)乎，內(nèi)層的鉑原子卻只能無(wú)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(gè)都動(dòng)起來(lái)呢？

 

      宋禮教授課題組想到了一個(gè)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(duì)于之前的研究，他們選擇了單位質(zhì)量下?lián)碛凶畲蟊砻娴那蛐�，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(yīng)改造成了三維立體的反應(yīng)。曾經(jīng)的一間小平房被改造成了一個(gè)球形小高層，可容納的人數(shù)——也就是可以發(fā)生反應(yīng)的場(chǎng)地——大大增加了。同時(shí)，每個(gè)鉑原子都位于球形的表面，保證了它們都在“生產(chǎn)一線”。這樣催化劑形成了一個(gè)表面滿是針尖的“球”，每個(gè)針尖都是一個(gè)單原子鉑，沒(méi)有“人”可以“躲”在后面偷懶。江俊教授說(shuō)：“這個(gè)設(shè)計(jì)還帶來(lái)一個(gè)驚喜的附加效果，理論模擬發(fā)現(xiàn)，彎曲的球面會(huì)在尖端鉑原子處形成非常強(qiáng)的局域電場(chǎng)，相當(dāng)于給鉑原子腳上加了一個(gè)加速履帶，可以進(jìn)一步增強(qiáng)催化效率。”

 

       最后測(cè)試結(jié)果表明，當(dāng)電解溶液中的反應(yīng)物通過(guò)一顆顆的表面遍布針尖的“松球”時(shí)，形成氫氣的速率大大增加。宋禮教授說(shuō)：“在產(chǎn)氫量相同的情況下，我們?cè)O(shè)計(jì)的催化劑只需要一份鉑，而傳統(tǒng)商業(yè)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(píng)價(jià)：“這是一項(xiàng)關(guān)于單原子催化劑的相當(dāng)復(fù)雜的研究，作者通過(guò)維度設(shè)計(jì)來(lái)調(diào)節(jié)電荷和局部電場(chǎng)，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(xué)制氫反應(yīng)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(yīng)催化效果，有望實(shí)現(xiàn)規(guī)�；瘧�(yīng)用；同時(shí)深入理解了催化劑效果與結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)系，為進(jìn)一步優(yōu)化催化劑的性能指明了方向。