一种新的单原子催化剂可以以惊人的速度从尿素中产生氢气

虽然氢被广泛认为是一种零碳排放的替代燃料，但大部分商业氢燃料生产是从化石燃料的精炼中获得的。有限的化石燃料储量及其对环境的负面影响鼓励研究人员开发替代技术，通过环保工艺生产氢燃料。这种“绿色氢”可以通过电解水产生，这种水在自然界中很丰富，使用来自可再生能源的电力。然而，由于缓慢的析氧反应(OER)需要1.23 V的高热力学电压，水电解的效率受到显着限制。

由于尿素电解的热力学有利(0.37 V，热力学电压)条件，为了节省制氢能源，用尿素氧化反应 (UOR) 代替缓慢的水电解具有很大的前景。缓解尿素污染问题还有一个额外的优势，每年约有 22,000 亿吨富含尿素的废水排入河流。基于贵金属的催化剂，例如铂 (Pt) 和铑 (Rh)，用于提高氧化过程的速率。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性能。

最近，与基于纳米材料的对应物相比，单原子催化剂 (SAC) 表现出卓越的性能。然而，由表面原子迁移的趋势引起的 SAC 的低金属负载量(< 3 wt%)对可扩展的应用提出了严峻的挑战。

在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 的领导下，IBS 研究团队制定了一种实现单金属原子位点超高负载的策略。这是通过在载体材料上引入表面应变来实现的，这允许特殊的尿素氧化辅助氢燃料产生。

“我们采用液氮淬火方法在氧化钴(Co3O4)表面产生拉伸应变。超高的冷却速度使淬火样品的晶格参数因热膨胀而扩大，从而在表面产生拉伸应变。与原始 Co3O4表面相比，Co3O4的应变表面稳定了约 200% 的铑单原子负载(RhSA;6.6 wt% 的体积负载和 11.6 wt% 的表面负载)位点。我们发现表明应变表面可以显着增加RhSA的迁移能垒与原始表面相比，抑制了它们的迁移和聚集，”该研究的第一作者、博士候选人 Ashwani Kumar 说。

“我们非常高兴地发现，稳定在应变 Co3O4表面上的高负载 RhSA在碱性和酸性介质中表现出出色的 UOR 活性和稳定性，这远优于商业 Pt/C 和 Rh/C . 在我们的发现之前，SAC 领域的这种表面应变策略从未被报道过，”该研究的通讯作者李副主任指出。研究人员还发现，这种高负载单原子位点的策略不仅限于铑。其他贵金属(如铂、铱和钌基单原子位点)的超高负载量也使用应变表面策略稳定，这为更广泛地应用这一发现奠定了基础。

研究小组评估了使用这种新催化剂进行尿素氧化所需的催化效率和工作电压。与可逆氢电极 (RHE) 相比，先进的催化剂(应变 Co3O4上的 RhSA)仅需 1.28 V 即可获得 10 mA(毫安)/cm2的电流密度电极的电压分别低于商业 Pt 和 Rh 催化剂的 1.34 和 1.45 V 要求。此外，该催化剂还表现出100小时的长期稳定性，结构没有任何变化。该小组使用密度泛函理论模拟来探索新催化剂非凡性能的起源，发现这是由于 CO*/NH* 中间体具有优异的尿素吸附和稳定性。此外，与水电解制氢相比，尿素电解节省了约 16.1% 的能量。

Lee 副主任解释说：“这项研究提供了一种稳定高负载单原子位点以实现可扩展应用的总体策略，这是 SAC 领域长期存在的问题。此外，这项研究使我们更接近于无碳节能的氢经济。这种高效的尿素氧化电催化剂将帮助我们克服化石燃料精炼过程的长期挑战：以低成本和低成本生产用于商业应用的高纯度氢环保的方式。”