蓋世汽車訊 氫被廣泛視為零碳排放替代燃料。大多數商用氫燃料是從天然氣（一種主要由甲烷組成的氣態化石燃料）中提取的。由于化石燃料儲量有限，而且容易對環境產生負面影響，研究人員嘗試開發替代技術，通過生態友好型工藝來生產氫燃料，如水分解制氫。然而，水分解制氫的效率較低，因為析氧反應速度較慢，需要高達12.3V的熱力學電壓。

（圖片來源：IBS）

為了節省制氫能量，用尿素氧化反應（UOR）代替緩慢的水分解反應，具有廣闊的前景。尿素電解具有良好的熱力學條件，熱力學電壓為0.37V。這樣做還可以緩解尿素污染問題，每年約有 2.2萬億噸富含尿素的廢水被排放到河流中。使用基于鉑和銠等貴金屬的催化劑，可以提高該氧化過程的效率。然而，這類貴金屬催化劑的成本很高，而且在長期運行過程中性能表現較差。

最近，與基于納米材料的催化劑相比，單原子催化劑（SAC）表現出卓越的性能。然而，由于表面原子具有遷移傾向，單原子催化劑的金屬負載量較低(< 3 wt%)，對規模化應用提出嚴峻挑戰。  

據外媒報道，在成均館大學（Sungkyunkwan University）基礎科學研究所（IBS）集成納米結構物理中心副主任LEE Hyoyoung的帶領下，該IBS研究團隊開發了一項策略，以實現金屬單原子位點的超高負載。這是通過在載體材料上引入表面應變來實現的，可以明顯促進尿素氧化，輔助生產氫燃料。

主要研究人員Ashwani Kumar表示：“我們使用液氮淬火法，在氧化鈷(Co3O4)表面產生拉伸應變。超高冷卻速率使淬火樣品的晶格參數因熱膨脹而增大，在氧化物表面產生拉伸應變。與原始Co3O4表面相比，Co3O4的應變表面能使銠單原子(RhSA；6.6wt%體積負載和11.6wt%表面負載)的位點負載穩定在200%以上。我們發現，與原始表面相比，應變表面可以明顯提高RhSA的遷移能壘，抑制其遷移和聚合。”

Lee指出，“我們非常興奮地發現，穩定在應變Co3O4表面的高負載RhSA，在堿性和酸性介質中都表現出優異的UOR活性和穩定性，比商用Pt/C和Rh/C要好得多。在此之前，SAC領域從未報道過這種表面應變策略。”研究人員還發現，這種單原子位點高負載策略不僅局限于銠。通過表面應變策略，可以使其他貴金屬（如鉑、銥和釕等）的超高負載單原子位點得到穩定，從而為這一發現得到更廣泛的應用奠定基礎。

為了使用這種新催化劑進行尿素氧化，該研究團隊評估了所需的催化效率和工作電壓。與可逆氫電極（RHE）相比，這種領先的催化劑（應變Co3O4上的RhSA）僅需1.28V，即可獲得每平方厘米電極10mA的電流密度，低于商用鉑和銠催化劑（分別為1.34和1.45V）。此外，在不改變結構的情況下，該催化劑還表現出長達100小時的長期穩定性。該團隊利用密度泛函理論模擬，探討新型催化劑性能優異的原因。結果發現，這是由于CO*/NH*中間體具有良好的尿素吸附性和穩定作用。此外，比起水電解制氫，尿素電解制氫可節能約16.1%。

Lee表示：“這項研究為可擴展應用提供了穩定高負載單原子位點的整體策略，這是SAC領域長期存在的問題。此外，這項研究將促進實現無碳和節能的氫經濟。這種高效的尿素氧化電催化劑，有助于克服化石燃料精煉過程中存在的長期挑戰，以成本更低和對環境影響更少的方式，為商業應用生產高純度氫。”

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