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　　當(dāng)電流通過水時(shí)，會(huì)產(chǎn)生氫氣和氧氣，氫氣在氧氣中燃燒，得到的產(chǎn)物是水?；瘜W(xué)公式循環(huán)往復(fù)，這些中學(xué)課本上的內(nèi)容為人熟知。
　　過去的100多年里，科學(xué)家一直在試圖讓反應(yīng)過程變得更快。電解水析出氫氣和氧氣作為整個(gè)反應(yīng)中的兩個(gè)部分，為了提高反應(yīng)速率，需要分別找到合適的催化劑。
　　今天，氫析出的相關(guān)催化技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得較為成熟，但氧析出還沒有找到更高效廉價(jià)的催化劑。這是氫能源領(lǐng)域懸而未決的難題之一，業(yè)內(nèi)將之與非鉑氧還原催化劑的研發(fā)并稱為兩大圣杯。
　　如今氧析出催化劑的圣杯即將被中國科學(xué)家捧走。
　　中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授吳宇恩團(tuán)隊(duì)在今年4月的《自然—催化》上發(fā)表封面文章稱，其制備的釕單原子合金催化劑大大加快了氧析出過程，有望降低氫氣制備成本。
　　用好氫氣成本還得再壓一壓
　　氫氣作為無污染、零排放的“終極能源”，其應(yīng)用前景一直被看好。
　　論文共同第一作者、吳宇恩課題組博士生么艷彩告訴《中國科學(xué)報(bào)》，目前工業(yè)中較為常用的制氫方法是化石燃料制氫，比如“甲烷水蒸氣重整”——讓甲烷與水反應(yīng)，生成一氧化碳和氫氣。但因?yàn)橛玫降氖腔剂?，也面臨著碳排放等環(huán)保問題。
　　電解水制氫則沒有碳排放的擔(dān)憂，且工藝過程簡單，有望成為下一代制氫的清潔方法。
　　根據(jù)電解質(zhì)的不同，電解水制氫又可分為酸性電催化制氫和堿性電催化制氫，么艷彩告訴記者，由于目前工業(yè)上還沒有可以與堿性電解水匹配的堿性膜，而酸性膜已經(jīng)是一種成熟的技術(shù)，所以酸性電解水工業(yè)化前景更佳。
　　為了提升電解水制氫效率，找到合適的催化劑可不簡單。這意味著催化劑既要做好自己的本職工作——加速反應(yīng)，同時(shí)還要“坐懷不亂”——避免在反應(yīng)過程中被過快地消耗掉。這兩種特性也被稱為活性和穩(wěn)定性。
　　目前，在酸性條件下的電解水氧析出反應(yīng)中，二氧化銥因?yàn)閮?yōu)異的活性和穩(wěn)定性被廣泛使用。
　　但金屬銥作為一種稀有的貴金屬材料，價(jià)格較為昂貴，每克的市價(jià)為240~250元。
　　科研人員算了這樣一筆賬：工業(yè)上通過二氧化銥電解水制氫的成本是每千克33~38元，而產(chǎn)生相同能量所需要的汽油成本是每千克25~29元。
　　也就是說，若想用好氫氣這個(gè)終極能源，人們還得想辦法把成本再壓一壓。
　　把單個(gè)釕原子拿出來專心干活
　　吳宇恩課題組瞄準(zhǔn)了另一種催化劑——釕，釕是一種稀有的金屬元素，但在地球上的儲(chǔ)量更豐富，每克19.5~20.5元的市價(jià)和銥相比，已經(jīng)友好得多。
　　目前商用的釕基催化劑大多為二氧化釕。這種催化劑雖然有出色的活性，但在反應(yīng)過程中表現(xiàn)得過于“熱情”：在強(qiáng)酸、強(qiáng)氧化環(huán)境下，二氧化釕中的晶格氧會(huì)參與到氧氣析出過程中。短短數(shù)小時(shí)內(nèi)，催化劑活性就會(huì)大幅衰退。
　　既然釕和氧在一起這么歡脫，那把單個(gè)釕原子拿出來會(huì)不會(huì)專心干活？
　　這正是吳宇恩課題組多年來的研究重點(diǎn)：讓釕以單原子形式作為催化劑參與到氧析出反應(yīng)中。
　　想穩(wěn)住單個(gè)釕原子，得給它找個(gè)好位置。么艷彩告訴《中國科學(xué)報(bào)》，課題組創(chuàng)新性地采用鉑銅合金作為載體，用酸刻蝕和電化學(xué)浸出的方法在載體表面制造出一個(gè)個(gè)空缺。當(dāng)釕原子嵌入鉑銅載體時(shí)，二者間強(qiáng)相互作用，讓前者更穩(wěn)定地停留。而鉑因?yàn)樽陨硖匦?，即便在?qiáng)酸環(huán)境下，也能好好穩(wěn)住釕原子。
　　如此一來，與二氧化釕相比，釕單原子合金催化劑不僅能加速反應(yīng)，在酸性電解水反應(yīng)中還有更好的抗溶解能力。么艷彩表示，這種催化劑相對于商業(yè)釕基催化劑的過電位降低了約30%，穩(wěn)定性提高了近10倍。
　　這項(xiàng)研究的另一個(gè)亮點(diǎn)是，讓催化劑以單原子形式發(fā)揮作用，比由多個(gè)原子組成的催化劑顆?；钚愿?。
　　“比如原本10個(gè)原子聚攏在一起，真正起催化作用的可能只是外部表面的幾個(gè)原子，而內(nèi)部的原子起不到作用。將單個(gè)原子固定在合金載體上，原子的利用率會(huì)更高?！泵雌G彩解釋道。
　　新加坡國立大學(xué)化學(xué)系教授楊文祥這樣評價(jià)吳宇恩團(tuán)隊(duì)的成果：該團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)了“通過應(yīng)力工程調(diào)控單原子釕的電子結(jié)構(gòu)，從而進(jìn)一步提高其在酸性氧析出中的活性和穩(wěn)定性”。
　　吳宇恩表示，研究中通過金屬/合金載體調(diào)控單原子電子結(jié)構(gòu)的策略，也可在其他反應(yīng)體系中應(yīng)用，或能為類似研究提供借鑒和參考。
　　“未來，我們還會(huì)嘗試其他金屬或者非金屬載體，進(jìn)一步降低催化劑成本。”么艷彩表示。
　?。ㄔd于《中國科學(xué)報(bào)》 2019-04-26 第3版 綜合)