新型鎳基催化劑誕生可通過電解水高效生產氫燃料

最近，POSTECH的一組研究人員提出了一種利用廉價且容易獲得的鎳作為電催化劑，通過電解水高效生產氫燃料的方法，開啟了氫經濟時代。

POSTECH研究領導的研究小組由Jong Kyu Kim教授領導，Jaerim Kim、Jeong Woo Han、Hyeonjung Jung等人重點參與支持了這一研究。

他們共同開發出一種高效的鎳基催化劑體系，其中摻雜了oxophilic過渡金屬原子。研究人員表示，已經確定了催化吸附性能之間的相關性和氫進化(她)的反應動力學堿性介質。近期，這些研究結果被頂級期刊《美國化學會志》(Journal of the American Chemical Society， JACS)的封面文章所收錄。

燃料電池是一種環保發電設備，通過氧氣和氫氣產生水的化學反應發電。在這個過程中，水電解還原發生作為一個反反應，它離解水產生氫燃料。這被認為是最環保、最可持續的大批量生產高純度氫燃料的方法。

然而，它的缺點是成本高，效率低，因為它需要使用貴金屬作為電極。為了降低電解水制氫燃料的單位成本，開發活性高、穩定性好、價格低廉、能最大化制氫性能的電化學催化劑是至關重要的。

為此，聯合研究小組設計了一種高效催化劑，將富含地球的鎳與一系列親氧過渡金屬元素結合，優化了在堿性HER中的吸附能力。研究小組進一步證明，嗜氧摻雜劑的摻入可以有效地控制鎳基催化劑表面的吸附性能。

為了進一步提高鎳基催化劑的HER活性，研究人員引入了一種獨特的三維(3D)納米螺旋(NH)陣列，這種陣列可以通過斜角共沉積法輕松制備，具有豐富的表面活性位點、有效的電荷轉移通道和開放的質量傳輸通道。他們成功地制備了高活性和穩定的cr摻雜鎳NHs催化劑，與傳統的鎳基薄膜催化劑相比，該催化劑在降低過電壓的情況下具有優異的產氫效率。

“這項研究意義重大，因為它為可持續的氫能轉換系統的高性能和商業化提供了學術基礎，”該論文的通訊作者Jong Kyu Kim教授解釋說。“高效雙金屬電催化劑的設計策略和實驗方法的核心概念不僅可以應用于水的電解槽，還可以應用于燃料電池、二氧化碳減排和光電化學系統。預計確保這一原始技術將在環境能源領域產生顯著的連鎖反應和技術擴展。”

論文的共同通訊作者Jeong Woo Han教授補充說：“計算化學通過快速找到雙金屬來控制催化劑的吸附強度，從而使雙金屬電催化劑的制造只使用非貴重材料，從而極大地加速了水電解反應。”

該研究是在韓國國家研究基金會氫能創新技術發展計劃、中職研究員計劃( Mid-career Researcher Program)、創意材料發現計劃(Creative Materials Discovery Program )的支持下進行的。

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