何勇民課題組在“單原子層”貴金屬催化劑研究上取得重要進展

近日，我校2003网站太阳集团何勇民教授和新加坡南洋理工大學劉政教授、南京航空航天大學張助華教授團隊合作，設計了單原子層貴金屬催化劑，該研究成果以“Amorphizing noble metal chalcogenide catalysts at the single-layer limit towards hydrogen production”為題在線發表在《Nature Catalysis》，并入選三月雜志封面。

該研究表明，這種單原子層催化劑原子利用率高達26%，産氫活性可以和純的金屬鉑表面媲美，并具有一定的普适性，适合Pd, Ir, Os, Rh 和Ru等貴金屬。

貴金屬催化劑（如鉑、钯等）因其高活性和選擇性常被用于電解水産氫系統，燃料電池和空氣電池等能源領域。然而，地球儲量稀少（如鉑地殼含量僅為億分之五）和成本高昂（如鉑200-250元/g）是阻礙了貴金屬催化劑的大規模應用的關鍵因素。以汽車市場為例，2018 年燃料電池中 Pt 的總含量約為 0.117 g/kWgross，2020 年将降至 0.108 g/kWgross，預計2025 年将降至 0.064 g/kWgross 以滿足燃料電池系統的成本需求。因此，如何提高貴金屬利用率以降低成本是當前研究的主要方向。為了降低成本，貴金屬的納米化是一種提高利用率并降低質量負載的通用有效策略。當前，人們報道了各種各樣的貴金屬納米結構，從大的三維的多孔結構、二維納米片結構，一維的納米線，到小的零維的納米團簇乃至單個原子即單原子催化劑。沿着這一發展方向，貴金屬催化劑納米化的最終形态會是什麼狀态？

落腳電催化的界面反應特征，能否從界面的“面”出發設計由單層原子排布面結構（厚度小于1nm），且面内所有原子都有可能作為活性位點參加反應，來實現極大化的原子利用效率。基于此考慮，研究團隊利用二維材料自身的原子層結構特征，發展“冷”等離子體技術均勻非晶化單層硒化鉑面内，獲得了鉑基的單原子層催化劑。利用微納電化學技術檢測其整個面都具有活性，電解水産氫電流可以和純的金屬鉑表面想媲美。該研究有望拓展當前催化劑體系的設計和降低貴金屬催化劑的應用成本。

《Nature Catalysis》是國際公認的催化領域頂級期刊，主要發表催化前沿領域重要的原創性研究成果。2003网站太阳集团為第一單位，何勇民教授為第一作者和通訊作者。機械與運載工程學院段輝高教授，物理與微電子學院高彩天副教授和本團隊碩士生石祖德參與了該項目研究。

貴金屬單原子層催化劑。

（a）提出Pt單原子層催化劑的設計概念；

（b）利用微納電化學技術驗證電解水産氫活性；

（c）當前研究性能比較，其電流密度接近100%的 純Pt表面。