氮摻雜碳上的鎳鈷金屬二聚體可在酸性和堿性條件下催化電解

化石燃料的有限儲量和不斷增加的氣候變化威脅促使研究人員開發(fā)替代技術(shù)來生產(chǎn)環(huán)保燃料。使用可再生電力電解水產(chǎn)生的綠色氫被認(rèn)為是未來的下一代可再生能源。但實際上，由于電解成本高，絕大多數(shù)氫燃料是從化石燃料的提煉中獲得的。

目前，由于缺乏用于析氫反應(yīng)的有效電催化劑，水電解的效率是有限的并且通常需要高電池電壓。貴金屬如鉑 (Pt) 被用作催化劑，以改善酸性/堿性介質(zhì)中的氫氣生成。然而，這些貴金屬催化劑價格昂貴，長期運行穩(wěn)定性差。

最近，與基于納米材料的催化劑相比，單原子催化劑表現(xiàn)出優(yōu)異的活性。這是因為它們能夠?qū)崿F(xiàn)高達 100% 的原子利用率，而在納米粒子中，只有表面原子可用于反應(yīng)。然而，由于單金屬原子中心的簡單性，對催化劑進行進一步修飾以進行復(fù)雜的多步反應(yīng)是相當(dāng)困難的。

修飾單個原子的最簡單方法是將它們變成單原子二聚體，將兩個不同的單個原子結(jié)合在一起。由于兩個不同原子之間的協(xié)同效應(yīng)，用二聚體調(diào)整單原子催化劑的活性位點可以改善反應(yīng)動力學(xué)。然而，雖然單原子二聚體結(jié)構(gòu)的合成和鑒定在概念上是已知的，但其實際實現(xiàn)卻非常困難。

這個問題由位于成均館大學(xué)基礎(chǔ)科學(xué)研究所 (IBS) 的集成納米結(jié)構(gòu)物理中心的副主任 LEE Hyoyoung 領(lǐng)導(dǎo)的研究小組解決。IBS研究團隊成功開發(fā)出穩(wěn)定在氮摻雜碳載體上的原子分散Ni-Co二聚體結(jié)構(gòu)，命名為NiCo-SAD-NC。

“我們通過將 Ni/Co 離子原位捕獲到聚多巴胺球中，然后通過精確控制的 N 配位熱解，在氮 (N) 摻雜的碳載體上合成了 Ni-Co 單原子二聚體結(jié)構(gòu)。我們采用最先進的透射電子顯微鏡和 X 射線吸收光譜以原子精度成功識別這些 NiCo-SAD 位點，”該研究的第一作者 Ashwani Kumar 說。

研究人員發(fā)現(xiàn)，在氬氣氣氛中在 800°C 下退火兩個小時是獲得二聚體結(jié)構(gòu)的最佳條件。其他單原子二聚體，如 CoMn 和 CoFe 也可以使用相同的方法合成，這證明了他們策略的通用性。

研究小組根據(jù)驅(qū)動析氫反應(yīng)所需的過電位評估了這種新系統(tǒng)的催化效率。NiCo-SAD-NC 電催化劑在酸性和堿性介質(zhì)中具有與商用 Pt 基催化劑相當(dāng)?shù)倪^電壓水平。NiCo-SAD-NC 在堿性介質(zhì)中的活性也比 Ni/Co 單原子催化劑和多相 NiCo 納米粒子高 8 倍。同時，它在酸性介質(zhì)中的活性分別比 Co 和 Ni 單原子催化劑高 17 倍和 11 倍，比傳統(tǒng) Ni/Co 納米粒子高 13 倍。

此外，研究人員還證明了新催化劑的長期穩(wěn)定性，能夠在不改變結(jié)構(gòu)的情況下驅(qū)動反應(yīng) 50 小時。與其他單原子二聚體和 Ni/Co 單原子位點相比，NiCo-SAD 表現(xiàn)出優(yōu)異的水離解和最佳質(zhì)子吸附，基于密度泛函理論模擬提高了 pH 通用催化劑的活性。

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