钴基催化材料水解制氢机制

新华社合肥1月2日电 近期，中国科学技术大学科研团队利用同步辐射光源开发出新技术，在国际上首次精确鉴别了钴基催化在水解制氢过程中的结构和过程，为揭示催化原理、提高转化效率迈出重要一步，研究成果于2019年1月1日在线发表在《自然·催化》期刊上(Nature Catalysis DOI:10.1038/s41929-018-0203-5)。

催化是提升水解氢能量转化效率的关键一环。因此，探明催化过程以及催化材料在工作状态下的结构非常重要。中国科学技术大学国家同步辐射实验室韦世强、姚涛教授课题组和化学与材料学院杨金龙教授课题组合作，发展了原位同步辐射XAFS技术结合理论计算，精确鉴别出钴基催化剂在电催化析氢反应过程中活性位点的真实结构和动态演化过程，揭开了催化材料在实际工作状态中的真实面纱。

研究团队依托合肥、北京和上海同步辐射光源建立了在线Operando XAFS测试装置，实时监测高度均一的钴基单原子催化材料在碱性电催化析氢反应环境下原子和电子结构的演变过程。研究人员观察到，在反应过程中该催化材料并非始终维持初始的“Co1-N4”结构，而是先进行自我优化，吸附溶液中的氢氧根离子形成高氧化态的“HO-Co1-N2”活性中心，随着电位的增加，水吸附到活性中心生成“H2O-(HO-Co1-N2)”反应中间体。理论计算证实了这些中间体构型并进一步揭示了反应的机理。性能实验表明，此高活性的催化材料在析氢反应中仅需89 mV过电位即可达到10 mA·cm-2的电流密度，性能和稳定性均已接近目前商业贵金属铂碳纳米催化剂，展现了其潜在的应用前景。

“催化材料帮助水分子分解出氢分子，使用同步辐射储存环中引出来的电子束，照在材料反应的表面，可以将这个过程精细地反映出来。”姚涛说。

商业贵金属铂碳催化剂是当前公认的高效稳定的析氢材料。学者们研究发现，钴基催化材料的性能和稳定性接近铂碳催化剂，但成本不到其一半，展现出潜在的广阔应用前景。

中国科大博士生曹林林、特任副研究员罗其全和博士后刘炜是论文的共同第一作者。该研究得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金、中科院青年创新促进会专项资金等项目的资助。

附论文链接：https://www.nature.com/articles/s41929-018-0203-5