東國大學開發高效低成本綠色制氫新方法

在各類清潔能源中，氫氣（H?）因其高熱值和凈零碳排放特性，被視為理想的能源載體。質子交換膜水電解（PEMWE）是一種前景廣闊、清潔且高效的制氫方式，其產物為高純度氫氣，副產物僅為氧氣。若與可再生電力相結合，該技術有望實現可持續的氫氣生產。

近年來，金屬單原子催化劑（M-SACs）在質子交換膜水電解領域受到廣泛關注。由于每一個金屬原子都可作為獨立的活性催化位點，這類材料相比傳統催化劑能更高效地利用貴金屬資源，在降低成本的同時提升催化性能。然而，在最適用于 PEMWE 的高負載 M-SACs 中，金屬原子在合成或電解過程中容易發生團聚，從而導致催化活性和耐久性下降。

為解決這一問題，韓國東國大學能源與材料工程系助理教授 Jitendra N. Tiwari 與 Young-Kyu Han 教授 領導的研究團隊，開發了一種創新性的 M-SACs 合成方法。

Tiwari 教授解釋道：“我們的技術以金屬氫氧化物作為犧牲模板，并通過兩步高溫熱處理過程進行協同還原，該方法利用空間位阻效應有效抑制金屬原子團聚，從而實現真正的原子級分散金屬單原子催化劑。”

該研究成果已于 2025 年 10 月 28 日在線發布，并發表于 2026 年 1 月出版的《Materials Science & Engineering R》第 168 卷。

研究團隊以 β-氫氧化鎳（β-Ni(OH)?） 為模板，成功合成了鉑（Pt）基單原子催化劑 β-PtSAsS800 和 β-PtSAsS850。在合成過程中，將干燥后的 β-Ni(OH)?、鉑前驅體和雙氰胺混合物，在氮氣氣氛下分別于 800°C 或 850°C 進行熱解。β-Ni(OH)? 模板有效限制了金屬離子的遷移，而雙氰胺則提供碳（C）和氮（N）源。最終形成的催化劑結構為：單個鉑原子與氮原子鍵合，并以原子級分散狀態錨定在石墨化納米片上。

實驗結果表明，該系列催化劑表現出卓越的電催化性能。其中，β-PtSAsS850 的過電位低至 15 毫伏，周轉頻率（TOF）較商業 Pt/C 催化劑提高 72–78 倍。同時，該材料展現出優異的穩定性，在連續測試 超過 10 天 后仍能保持結構與性能不變。值得注意的是，基于 β-PtSAsS850 的 PEMWE 系統性能超過了美國能源部（DOE）2026 年目標，顯示出良好的工業應用潛力，并在 超過 200 小時 的運行中保持穩定表現。

理論計算與實驗分析表明，該優異性能源于嵌入石墨化片層中的 Pt–N? 催化活性位點，其可顯著降低氫氣生成的能壘。此外，研究人員還成功合成了銥（Ir）、鈀（Pd）和釕（Ru）等其他金屬的單原子催化劑，驗證了該合成策略的普適性。

Han 教授總結道：“我們的策略為合成高活性金屬單原子催化劑提供了一條全新路徑，對于開發高效的能量轉換與儲能器件具有重要價值。此外，該催化劑在電解水制氫中的卓越表現，有望首次使氫能在經濟性上與化石燃料競爭。長遠來看，這將加速氫能的規模化應用，為應對氣候變化作出重要貢獻。”

原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0927796X25002086?via%3Dihub

（素材來自：東國大學 全球氫能網、新能源網綜合）