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氮摻雜碳上的鎳鈷金屬二聚體在酸性和堿性條件下均能催化電解。
化石燃料儲量有限，氣候變化的威脅日益增加，這促使研究人員開發(fā)生產環(huán)保燃料的替代技術。利用可再生電力電解水產生的綠色氫氣被認為是未來的下一代可再生能源。但在現實中，由于電解成本高，絕大多數氫燃料是通過提煉化石燃料獲得的。
目前，由于缺乏高效的析氫電催化劑，電解水的效率受到限制，常常需要較高的電池電壓。貴金屬如鉑(Pt)被用作催化劑，以提高在酸性/堿性介質中的產氫能力。但這些貴金屬催化劑價格昂貴，長期運行穩(wěn)定性差。
近年來，單原子催化劑與納米材料催化劑相比表現出了優(yōu)異的活性。這是因為它們能夠達到100%的原子利用率，而在納米顆粒中只有表面原子可用于反應。然而，由于單金屬原子中心的簡單性，進一步對催化劑進行改性以進行復雜的多步反應是相當困難的。
修飾單原子最簡單的方法是將它們變成單原子二聚體，將兩個不同的單原子結合在一起。通過二聚體調整單原子催化劑的活性位點，可以利用兩個不同原子之間的協同作用改善反應動力學。然而，雖然單原子二聚體結構的合成和鑒定在概念上已經知道，但其實際實現是非常困難的。
成均館大學基礎科學研究所(IBS)納米結構物理綜合研究中心副所長李孝榮帶領的研究小組解決了這一問題。IBS研究團隊成功開發(fā)了一種原子分散的Ni-Co二聚體結構，穩(wěn)定在氮摻雜的碳載體上，命名為NiCo-SAD-NC。
“我們通過原位捕獲Ni/Co離子到聚多巴胺球中，在氮(N)摻雜的碳載體上合成了Ni-Co單原子二聚體結構，然后通過精確控制N配位的熱解。我們使用了最先進的透射電子顯微鏡和x射線吸收光譜技術，以原子精度成功地識別了這些NiCo-SAD位點，”該研究的第一作者Ashwani Kumar說。
研究人員發(fā)現，在800℃氬氣氣氛下退火2小時是獲得二聚體結構的最佳條件。其他單原子二聚體，如CoMn和CoFe也可以用同樣的方法合成，證明了其策略的通用性。
研究小組以驅動析氫反應所需的過電位為標準，對新體系的催化效率進行了評價。NiCo-SAD-NC電催化劑在酸性和堿性介質中的過電壓水平與商用鉑基催化劑相當。在堿性介質中，NiCo- sad- nc的活性是Ni/Co單原子催化劑和非均相NiCo納米顆粒的8倍。同時，在酸性介質中，其活性分別比Co和Ni單原子催化劑高17倍和11倍，比傳統(tǒng)Ni/Co納米顆粒高13倍。
此外，研究人員還證明了新催化劑的長期穩(wěn)定性，能夠在不改變結構的情況下驅動反應50小時。密度泛函理論模擬結果表明，與其它單原子二聚體和Ni/Co單原子位相比，NiCo-SAD具有更好的水解離能力和最佳的質子吸附能力，提高了ph通用型催化劑的活性。
“我們非常興奮地發(fā)現，新的NiCo-SAD結構以更低的能量障壁離解水分子，并在堿性和酸性介質中加速析氫反應，其性能可與Pt媲美，這解決了單個Ni和Co單原子催化劑的缺點。這種單原子二聚體結構的合成一直是單原子催化劑領域的一個挑戰(zhàn)，”該研究的通訊作者Lee副主任指出。
他進一步解釋說:“這項研究讓我們向無碳綠色氫經濟又邁進了一步。這種高效、廉價的產氫電催化劑將幫助我們克服成本競爭的綠色氫生產的長期挑戰(zhàn):以低價格和環(huán)保的方式生產高純度的氫用于商業(yè)應用?！?/p>
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