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中科大研制出显著降低“水制氢”成本的新型催化剂

氢能是一种高能、洁净的可再生能源，通过电解水方式低成本、高效率地制备氢气，是当前国际科研的热点之一。近期，中国科学技术大学宋礼教授和江俊教授合作，创新思路设计出一种“松果结构”的铂金属催化剂，在制氢效果不变的情况下将铂金属的用量降低到传统商业催化剂的约1/75。日前国际知名学术期刊《自然·能源》发表了该研究成果。

“终极能源”氢能市场化的关键一环是氢气高效廉价的制取。其中，电解水是最被看好的制备方式之一。然而，电解水过程中必需的高效廉价的氧气析出催化剂是当前面临的最困难挑战之一，与“非铂氧还原催化剂的开发”并称为氢能高效利用领域的两大圣杯。

电解水的过程中需要使用催化剂，但在催化过程中却存在原子“忙闲不均”的现象：参与反应的主要是铂金属催化剂表层的原子，内层的铂原子却在“无所事事”，导致资源浪费和成本高昂。

催化过程一般都发生在催化剂的表面，且参与反应的是单个或近邻的几个原子。按照传统方式制造的铂催化剂，只有表层的铂原子能发挥作用，宋礼教授课题组选择了单位质量下拥有最大表面的球形，将之前扁平的催化剂都做成一颗颗“球”，将以前局限在二维平面的反应改造成了三维立体的反应。同时，每个铂原子都位于球形的表面，这样催化剂形成了一个表面满是针尖的“球”，每个针尖都是一个单原子铂，全部都能参与催化反应。

“这个设计还带来一个惊喜的附加效果，理论模拟发现，弯曲的球面会在尖端铂原子处形成非常强的局域电场，相当于给铂原子脚上加了一个加速履带，可以进一步增强催化效率。”江俊教授表示。

实验结果表明，当电解溶液中的反应物通过这种“松果形”催化剂时，形成氢气的效率大大增加。在产氢量相同的情况下，这种新型催化剂所需要的铂金属，只有传统商业催化剂的约1/75，大大降低了制氢成本。

据了解，这项研究同时深化了催化剂效果与结构之间关系的认知，为进一步优化催化剂性能指明了方向。