氫氣作為新一代清潔能源，具有無污染、燃燒值高、資源廣泛的優(yōu)勢。氫氣從哪兒來，最常見的方法就是通過水裂解產(chǎn)生氧氣，進(jìn)而形成氫氣。這一電/光電催化析氧反應(yīng)（OER）過程中，涉及四電子轉(zhuǎn)移的復(fù)雜反應(yīng)過程，具有反應(yīng)動力學(xué)緩慢和較大的過電位，限制了整體的能量轉(zhuǎn)換效率。因此，科研人員研究出貴金屬銥作為催化劑加速反應(yīng)效率，但不可否認(rèn)，銥的成本太高每克單價(jià)接近黃金的兩倍。長久以來，科研人員想要找到廉價(jià)的替代品，然而研究成果往往整體催化效率較低且催化機(jī)理和活性位點(diǎn)難以捉摸。近日，浙江大學(xué)化學(xué)工程與生物工程學(xué)院“百人計(jì)劃”入選者侯陽研究員，通過仿生學(xué)的方法，設(shè)計(jì)并開發(fā)出一種單原子OER催化劑，將高度分散的鎳單原子錨定在氮-硫摻雜的多孔納米碳基底上，用于高效電/光電催化水裂解析氧反應(yīng)。這項(xiàng)成果被知名學(xué)術(shù)雜志《自然通訊》（Nature Communications）在線報(bào)道。要設(shè)計(jì)新型催化劑，侯陽課題組從材料的原子結(jié)構(gòu)開始剖析。課題組發(fā)現(xiàn)在葉綠體中存在一種金屬-氮配位卟啉結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能夠收集太陽能，利用光合作用氧化反應(yīng)分解水，并釋放出氧氣。侯陽課題組采用球差校正掃描透射電子顯微鏡、電子能量損失譜、X射線近邊吸收光譜和擴(kuò)展X射線吸收光譜等手段，首次揭示了鎳單原子錨定在氮-硫摻雜的多孔納米碳催化材料中原子級分散的鎳單原子與周圍3個(gè)氮原子及1個(gè)硫原子形成配位結(jié)構(gòu)共摻雜到納米碳骨架作為催化活性位點(diǎn)。理論計(jì)算結(jié)果闡明，硫原子的引入優(yōu)化了鎳-氮摻雜納米碳表面的電荷分布，大幅度降低了OER反應(yīng)勢壘，進(jìn)而極大地加速了OER反應(yīng)動力學(xué)，從而導(dǎo)致其高效的電/光電催化性能和優(yōu)良穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該課題組研制的鎳單原子錨定氮-硫摻雜的多孔納米碳催化劑，相比市場上廣泛應(yīng)用的商業(yè)銥基催化劑，這種新型催化劑的過電位降低了大約5%，也就是說驅(qū)動反應(yīng)的能量降低5%，同時(shí)成本降低了80%以上，并且穩(wěn)定性大幅度提高，展現(xiàn)出工業(yè)級電解水制氫的潛能。本次研究不僅設(shè)計(jì)并開發(fā)出一種高效穩(wěn)定的過渡金屬-氮-硫原子級電催化劑，還為如何設(shè)計(jì)低成本高活性人工固氮合成氨、二氧化碳高值化利用和氧還原催化材料的設(shè)計(jì)提供了新的思路。

（來源：http：//www.news.zju.edu.cn/2019/0513/c23225a1196853/page.htm）