助力大规模工业生产绿氢，华人科学家研发铂单原子催化剂，可极大提高催化反应活性

作为一种理论上最清洁的能源，目前绝大多数绿色氢气都是通过碱性电解水、或者膜装置结合铂等贵金属催化剂来产生的。这些贵金属不但价格昂贵，而且在地壳里的含量比较低，非常不利于大规模应用。

新南威尔士大学悉尼分校高级讲师 Zhaojun Han 发现，当铂单原子固定在石墨烯边缘的时候，源于石墨烯的限域电子轨道可以影响金属原子的电子结构，这能极大提高其催化反应活性、并降低所需的催化剂含量。

▲图 | Zhaojun Han（来源：Zhaojun Han）

他和团队通过可变角同步加速器 X 光吸收谱和密函计算等手段，揭示了铂单原子的 5d 轨道和石墨烯中的电子之间的耦合原理，从而系统地阐述了产生这一新现象的本质。

根据这一新知识，课题组成功地制备了绝大多数固定于石墨烯边缘的铂单原子催化剂，并将之运用于碱性电解水装置。

基于实验结果，他们发现这种新型催化剂只需要传统铂催化剂大约 3-5% 的铂含量，就可以达到相似的性能，这为未来绿色氢能和其他清洁能源转化提供了一条经济可行的道路。

近日，相关论文以《石墨烯边缘铂单原子电催化剂的高效碱性氢演化》（Pt Single Atom Electrocatalysts at Graphene Edges for Efficient Alkaline Hydrogen Evolution）为题发表在 Advanced Functional Material 上。新南威尔士大学化学工程学院康斯坦丁·楚尼斯（Constantine Tsounis）担任第一作者，Zhaojun Han 担任通讯作者。

其中一位审稿人认为他们提供了一种新颖的催化剂材料的制备方法；另一位审稿人表示此次工作非常翔实（comprehensive），论文里的实验方法、分析、和结论等都组织得非常好，具有逻辑性（logic and well organized）。

该工作始于 4 年前实验室开发出的一种新型石墨烯结构，课题组将其称之为分枝型竖直石墨烯，并已申请国际专利（专利号 WO2020/176929A1）。

跟传统的竖直石墨烯相比，这种分枝型结构具有更高的边缘密度和更大的比表面积。于是该团队设想，此材料或能给目前的单原子催化剂带来革命性的影响。

为了验证此想法，大约 2 年前研究人员建立了负责本次课题的团队，主要包括一名全职博士生和其他辅助研究人员。因为意识到目前贵重的铂金属催化剂是制约氢能大规模发展的主要因素之一，故他们将研究方向主要定于绿色氢能催化剂领域。

之后的实验进行得很顺利，而使用先进材料表征来揭示原理这一过程则消耗了比较多的时间，主要是因为一些大型实验装置比如同步加速器的使用需要预定。

Zhaojun Han 表示：“研究来自于合作，其并不总是一帆风顺，但也没必要担心太多。举例说，我们这项工作其实在中间停顿了一段时间，主要是因为同步加速器的表征没法落实。然后我们积极地寻找新的合作者来完成这项工作。现在，如果我们新的工作需要用同步加速器表征的话，又多了一个选择，而且进一步拓展了新的合作关系。”

该成果的潜在应用主要包括以下几个方向：

其一是绿色氢能。该团队基于分枝型竖直石墨烯的铂单原子催化剂可显著降低铂的使用量，从而为目前绿氢的大规模工业生产提供了一种经济适用的方案。

其二是新型催化剂材料的生产。作为衬底的分枝型竖直石墨烯不仅仅可运用于铂，对其他的金属催化剂也具有同样的效果，其可广泛应用于其他催化剂的生产，如二氧化碳的转化等。

后续，课题组研究将集中于以下两方面：（1）进一步提高石墨烯的边缘密度，从而能更多地固定铂单原子；（2）未来也会将研究拓展到过渡金属催化剂，从而降低清洁能源转化过程中的对于关键贵金属的需求。

参考资料：

1.Tsounis, C., Subhash, B., Kumar, P. V., Bedford, N. M., Zhao, Y., Shenoy, J., ... & Amal, R. (2022). Pt Single Atom Electrocatalysts at Graphene Edges for Efficient Alkaline Hydrogen Evolution. Advanced Functional Materials, 2203067.