用于绿色制氢的单原子二聚体电催化剂

化石燃料的有限储量和不断增加的气候变化威胁促使研究人员开发替代技术来生产环保燃料。使用可再生电力电解水产生的绿色氢被认为是未来的下一代可再生能源。但实际上，由于电解成本高，绝大多数氢燃料是从化石燃料的提炼中获得的。

目前，由于缺乏用于析氢反应的有效电催化剂，水电解的效率是有限的并且通常需要高电池电压。贵金属如铂(Pt)被用作催化剂，以改善酸性/碱性介质中的氢气生成。然而，这些贵金属催化剂价格昂贵，长期运行稳定性差。

单原子催化剂比基于纳米材料的催化剂具有优势，可实现高达100%的原子利用率，而只有纳米粒子的表面原子可用于反应。然而，由于单金属原子中心的简单性，对催化剂进行进一步修饰以进行复杂的多步反应是相当困难的。

修饰单个原子的最简单方法是将它们变成单原子二聚体，将两个不同的单个原子结合在一起。由于两个不同原子之间的协同效应，用二聚体调整单原子催化剂的活性位点可以改善反应动力学。然而，虽然单原子二聚体结构的合成和鉴定在概念上是已知的，但其实际实现却非常困难。

这个问题由位于成均馆大学基础科学研究所(IBS)的集成纳米结构物理中心的副主任LEEHyoyoung领导的研究小组解决。IBS研究团队成功开发出稳定在氮掺杂碳载体上的原子分散Ni-Co二聚体结构，命名为NiCo-SAD-NC。

“我们在氮(N)掺杂的碳载体上合成了Ni-Co单原子二聚体结构，通过将Ni/Co离子原位捕获到聚多巴胺球中，然后通过精确控制的N配位热解。我们采用了状态-最先进的透射电子显微镜和X射线吸收光谱以原子精度成功识别这些NiCo-SAD位点，”该研究的第一作者AshwaniKumar说。

研究人员发现，在氩气气氛中在800°C下退火两个小时是获得二聚体结构的最佳条件。其他单原子二聚体，如CoMn和CoFe也可以使用相同的方法合成，这证明了他们策略的通用性。

研究小组根据驱动析氢反应所需的过电位评估了这种新系统的催化效率。NiCo-SAD-NC电催化剂在酸性和碱性介质中具有与商用Pt基催化剂相当的过电压水平。在碱性介质中，NiCo-SAD-NC的活性也比Ni/Co单原子催化剂和多相NiCo纳米粒子高八倍。同时，它在酸性介质中的活性分别比Co和Ni单原子催化剂高17倍和11倍，比传统Ni/Co纳米粒子高13倍。

此外，研究人员还展示了新型催化剂的长期稳定性，能够在不发生任何结构变化的情况下驱动反应50小时。与其他单原子二聚体和Ni/Co单原子位点相比，NiCo-SAD表现出优异的水离解和最佳质子吸附，基于密度泛函理论模拟提高了pH通用催化剂的活性。

“我们很高兴地发现，新型NiCo-SAD结构以低得多的能垒解离水分子，并在碱性和酸性介质中加速析氢反应，其性能与Pt相当，解决了单个Ni和Co单原子催化剂。这种单原子二聚体结构的合成是单原子催化剂领域的一个长期挑战，”该研究的通讯作者李副主任指出。

他进一步解释说，“这项研究使我们更接近无碳和绿色氢经济。这种高效且廉价的制氢电催化剂将帮助我们克服具有成本竞争力的绿色氢生产的长期挑战：生产高以低廉的价格和环保的方式为商业应用提供纯氢。”