韩国科学家设计了成本低廉的钌基“核壳结构催化剂”，提升了催化剂的商业化潜力，被著名催化杂志《能源与环境科学》选为封面论文。
核壳纳米团簇示意图。图片来源：首尔国立大学工程学院
首尔国立大学工学院宣布在环保氢气生产方面取得重大进展。由材料科学与工程系金镇永教授领导的研究团队与国民大学的李灿宇教授和韩国科学技术研究院 ( KIST ) 的刘成钟博士合作，开发出了一种非常先进的电化学催化剂。这一突破有望推动下一代可持续氢气生产技术。
该催化剂采用具有核壳结构的钌基纳米团簇。尽管只含有少量贵金属，但它具有出色的性能和卓越的稳定性。在工业规模的水电解系统中进行测试时，它表现出令人印象深刻的效率，显示出强大的商业应用潜力。
（从左至右）Hyun Woo Lim 博士（第一作者，首尔国立大学材料科学与工程系）、Jin Young Kim 教授（通讯作者，首尔国立大学材料科学与工程系）、Chan Woo Lee 教授（通讯作者，国民大学应用化学系）和 Sung Jong Yoo 博士（通讯作者，韩国科学技术研究院）。图片来源：首尔国立大学工程学院
该项研究成果发表于催化领域的顶级期刊《能源与环境科学》 ，并被选为封面论文，凸显了其创新方法和学术影响力。
氢气被广泛视为清洁能源，因为燃烧时不会排放二氧化碳，是化石燃料的有前途的替代品。生产环保氢气的最有效方法之一是通过水电解，即利用电能将水分解为氢气和氧气。在各种电解方法中，阴离子交换膜水电解 (AEMWE) 因其能够生产高纯度氢气而作为下一代技术受到关注。然而，要使 AEMWE 实现商业可行性，它需要既高效又具有长期稳定性的催化剂。
纳米粒子表现出高活性但低稳定性，而块体材料表现出高稳定性但低活性。通过利用两种材料的优点，合成了一种兼具高活性和高稳定性的核壳纳米团簇材料。图片来源：《能源与环境科学》，最初发表于《能源与环境科学》
目前，铂（Pt）是应用最广泛的制氢催化剂，但其成本高且降解速度快，带来了重大挑战。虽然研究人员已经探索了非贵金属替代品，但这些材料通常效率低、稳定性差，不适合工业用途。
为了克服这些限制，研究团队开发了一种基于钌 (Ru) 的新型核壳纳米团簇催化剂，其成本效益是铂的两倍多。通过将催化剂尺寸减小到 2 纳米 (nm) 以下，并将贵金属用量降至传统铂基电极所用量的三分之一，该团队实现了超越现有铂催化剂的卓越性能。
新开发的催化剂性能比同等贵金属含量的铂催化剂高出4.4倍，为析氢反应效率树立了新标杆，创下了迄今为止报道的析氢催化剂中的最高性能。其独特的泡沫电极结构优化了反应物质的供应，确保在高电流密度下也能保持出色的稳定性。
在工业规模的 AEMWE 测试中，与商用铂催化剂相比，新催化剂所需的功率明显更低。这一结果巩固了其作为下一代水电解技术变革性解决方案的潜力。
首先，通过初始热液合成将二氧化钛 (TiO₂) 掺杂钼 (Mo)。接下来，进行额外的热液合成，将氧化钌 (RuO₂) 沉积到掺杂钼的二氧化钛基底上。随后在空气中进行低温热处理 (200°C) 促进钛、钼和氧化钌之间的扩散，形成核壳结构。最后，氢析出反应过程中的电化学还原导致合成独特的核壳纳米团簇材料。图片来源：《能源与环境科学》，最初发表于《能源与环境科学》
开发过程涉及几个关键创新。首先，研究团队用过氧化氢处理钛泡沫基材，形成一层薄薄的二氧化钛层。然后掺杂过渡金属钼（Mo）。接下来，将尺寸仅为 1-2 纳米的氧化钌纳米颗粒均匀沉积在改性基材上。
精确的低温热处理诱导原子级扩散，形成核壳结构。在氢析出反应中，电化学还原过程进一步增强了材料的性能，形成了由多孔还原二氧化钛单层包裹的钌金属核，金属钼原子位于界面处。
展望未来，核壳纳米团簇催化剂有望显著提高氢气生产效率，同时大幅减少所需的贵金属量，最终降低生产成本。其高性能和经济可行性的结合使其成为汽车氢燃料电池、环保交通系统、氢能发电厂和各种工业应用的有力候选者。
除了实际应用之外，这一突破代表了一项重大的技术进步，可以加速从基于化石燃料的能源系统向氢驱动经济的转变。
金镇永教授强调了这项研究的影响，他表示：“核壳催化剂尽管小于 2 纳米，但表现出了卓越的性能和稳定性。这一突破将为纳米核壳器件制造技术和氢气生产的发展做出重大贡献，使我们更接近碳中和的未来。”
与此同时，这项研究的第一作者 Hyun Woo Lim 博士已被选入政府的世宗奖学金计划，并继续在首尔国立大学金教授的实验室担任博士后研究员进行研究。他目前的重点是进一步开发和商业化核壳催化剂技术。
编译自/ScitechDaily