东国大学开发高效低成本绿色制氢新方法

在各类清洁能源中，氢气（H₂）因其高热值和净零碳排放特性，被视为理想的能源载体。质子交换膜水电解（PEMWE）是一种前景广阔、清洁且高效的制氢方式，其产物为高纯度氢气，副产物仅为氧气。若与可再生电力相结合，该技术有望实现可持续的氢气生产。

近年来，金属单原子催化剂（M-SACs）在质子交换膜水电解领域受到广泛关注。由于每一个金属原子都可作为独立的活性催化位点，这类材料相比传统催化剂能更高效地利用贵金属资源，在降低成本的同时提升催化性能。然而，在最适用于 PEMWE 的高负载 M-SACs 中，金属原子在合成或电解过程中容易发生团聚，从而导致催化活性和耐久性下降。

为解决这一问题，韩国东国大学能源与材料工程系助理教授 Jitendra N. Tiwari 与 Young-Kyu Han 教授 领导的研究团队，开发了一种创新性的 M-SACs 合成方法。

Tiwari 教授解释道：“我们的技术以金属氢氧化物作为牺牲模板，并通过两步高温热处理过程进行协同还原，该方法利用空间位阻效应有效抑制金属原子团聚，从而实现真正的原子级分散金属单原子催化剂。”

该研究成果已于 2025 年 10 月 28 日在线发布，并发表于 2026 年 1 月出版的《Materials Science & Engineering R》第 168 卷。

研究团队以 β-氢氧化镍（β-Ni(OH)₂） 为模板，成功合成了铂（Pt）基单原子催化剂 β-PtSAsS800 和 β-PtSAsS850。在合成过程中，将干燥后的 β-Ni(OH)₂、铂前驱体和双氰胺混合物，在氮气气氛下分别于 800°C 或 850°C 进行热解。β-Ni(OH)₂ 模板有效限制了金属离子的迁移，而双氰胺则提供碳（C）和氮（N）源。最终形成的催化剂结构为：单个铂原子与氮原子键合，并以原子级分散状态锚定在石墨化纳米片上。

实验结果表明，该系列催化剂表现出卓越的电催化性能。其中，β-PtSAsS850 的过电位低至 15 毫伏，周转频率（TOF）较商业 Pt/C 催化剂提高 72–78 倍。同时，该材料展现出优异的稳定性，在连续测试 超过 10 天 后仍能保持结构与性能不变。值得注意的是，基于 β-PtSAsS850 的 PEMWE 系统性能超过了美国能源部（DOE）2026 年目标，显示出良好的工业应用潜力，并在 超过 200 小时 的运行中保持稳定表现。

理论计算与实验分析表明，该优异性能源于嵌入石墨化片层中的 Pt–N₂ 催化活性位点，其可显著降低氢气生成的能垒。此外，研究人员还成功合成了铱（Ir）、钯（Pd）和钌（Ru）等其他金属的单原子催化剂，验证了该合成策略的普适性。

Han 教授总结道：“我们的策略为合成高活性金属单原子催化剂提供了一条全新路径，对于开发高效的能量转换与储能器件具有重要价值。此外，该催化剂在电解水制氢中的卓越表现，有望首次使氢能在经济性上与化石燃料竞争。长远来看，这将加速氢能的规模化应用，为应对气候变化作出重要贡献。”

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0927796X25002086?via%3Dihub

（素材来自：东国大学 全球氢能网、新能源网综合）