二比一：用于绿色制氢的单原子二聚体电催化剂

有限的化石燃料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精炼中获得的。

目前，由于缺乏用于析氢反应的有效电催化剂，水电解的效率有限，并且通常需要高电池电压。铂 (Pt) 等贵金属用作催化剂，以改善酸性/碱性介质中的氢气生成。然而，这些贵金属催化剂非常昂贵并且在长期操作下表现出较差的稳定性。

最近，与基于纳米材料的催化剂相比，单原子催化剂表现出优异的活性。这是因为它们能够实现高达 100% 的原子利用率，而在纳米粒子中，只有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的基础科学研究所 (IBS) 综合纳米结构物理中心副主任 LEE Hyoyoung 领导的研究小组解决。IBS 研究小组成功开发了一种原子分散的镍钴二聚体结构，该结构稳定在氮掺杂的碳载体上，命名为 NiCo-SAD-NC。

“我们通过将 Ni/Co 离子原位捕获到聚多巴胺球体中，在氮 (N) 掺杂的碳载体上合成了 Ni-Co 单原子二聚体结构，然后以精确控制的 N 配位进行热解。我们采用了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 Ashwani Kumar 说。

研究人员发现，在 800°C 的氩气气氛中退火 2 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，这证明了他们的策略的普遍性。

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。NiCo-SAD-NC 在碱性介质中也表现出比 Ni/Co 单原子催化剂和多相 NiCo 纳米粒子高 8 倍的活性。同时，它在酸性介质中的活性分别是 Co 和 Ni 单原子催化剂的 17 倍和 11 倍，是常规 Ni/Co 纳米颗粒的 13 倍。

此外，研究人员还展示了新催化剂的长期稳定性，该催化剂能够驱动反应 50 小时而不发生任何结构变化。与其他单原子二聚体和 Ni/Co 单原子位点相比，NiCo-SAD 表现出优异的水解离和最佳质子吸附，基于密度泛函理论模拟提高了 pH 通用催化剂的活性。

“我们非常高兴地发现，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，其性能可与 Pt 相媲美，从而解决了单个 Ni 的缺点和钴单原子催化剂。这种单原子二聚体结构的合成是单原子催化剂领域长期存在的挑战，”该研究的通讯作者李副主任指出。

他进一步解释说：“这项研究使我们向无碳和绿色氢经济迈进了一步。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氢生产的长期挑战：生产高-以低廉的价格和环保的方式用于商业应用的纯氢。”

该研究发表在基础科学领域的世界知名期刊《自然通讯》 (IF 14.92)上。