基础科学研究所
a)镍单原子，b)钴单原子，c)镍钴单原子二聚体，和d)镍钴多相纳米粒子催化剂的表示模型
学分:基础科学研究所(威廉一世
Suh) 化石燃料的有限储量和不断增加的气候变化威胁鼓励研究人员开发替代技术来生产生态友好型燃料
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，由于电解的高成本，绝大多数氢燃料是通过提炼化石燃料获得的
目前，水电解的效率是有限的，并且由于缺乏用于析氢反应的有效电催化剂，经常需要高的电池电压
贵金属如铂(Pt)被用作催化剂，以改善酸性/碱性介质中的氢生成
然而，这些贵金属催化剂非常昂贵，并且在长期操作下显示出较差的稳定性
单原子催化剂比基于纳米材料的催化剂具有优势，实现了高达100%的原子利用率，而只有纳米颗粒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改性以进行复杂的多步反应相当困难
修饰单个原子最简单的方法是将它们变成单原子二聚体，将两个不同的单原子结合在一起
由于两个不同原子之间的协同作用，用二聚体调节单原子催化剂的活性位点可以改善反应动力学
然而，尽管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
这个问题是由成均馆大学基础科学研究所综合纳米结构物理中心副主任李孝荣领导的研究小组解决的
IBS研究团队成功开发了一种稳定在掺氮碳载体上的原子级分散镍钴二聚体结构，命名为NiCo-SAD-NC
“我们在氮(N)掺杂的碳载体上合成了镍钴单原子二聚体结构，通过原位捕获镍/钴离子到聚多巴胺球中，然后用精确控制的氮配位进行热解
这项研究的第一作者阿什瓦尼·库马尔说:“我们采用了最先进的透射电子显微镜和X射线吸收光谱技术，成功地以原子精度识别了这些NiCo-SAD位点。”
使用稳定在氮掺杂碳上的NiCo-SAD的析氢反应过程示意图(左)
在碱性(右上)和酸性介质(右下)中的HER活性
学分:基础科学研究所 研究人员发现，在氩气氛中于800℃退火两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也可以用同样的方法合成，这证明了他们策略的普遍性
研究小组根据驱动析氢反应所需的超电势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业铂基催化剂相当的过电压水平
在碱性介质中，镍钴单原子催化剂和多相镍钴纳米粒子的活性比镍钴单原子催化剂和多相镍钴纳米粒子高8倍
同时，在酸性介质中，其活性分别比钴和镍单原子催化剂高17倍和11倍，比常规镍/钴纳米粒子高13倍
此外，研究人员证明了新催化剂的长期稳定性，它能够驱动反应50小时，而结构没有任何变化
与其他单原子二聚体和镍/钴单原子位点相比，镍钴酸盐表现出优异的水离解和最佳的质子吸附，基于密度泛函理论模拟提高了酸碱度通用催化剂的活性
“我们非常激动地发现，新颖的NiCo-SAD结构以低得多的能垒解离水分子，并加速碱性和酸性介质中的析氢反应，其性能与Pt相当，这解决了单个镍和钴单原子催化剂的缺点
这种单原子二聚体结构的合成在单原子催化剂领域是一个长期的挑战，”该项研究的相应作者李副局长指出
他进一步解释说，“这项研究使我们向无碳和绿色氢经济更近了一步
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制氢的长期挑战:以低价格和生态友好的方式生产用于商业应用的高纯度氢气
" 这项研究发表在《自然通讯》上
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