新型電解水製氫催化劑 為解決能源危機帶來新希望

由城大學者領導的科研團隊，最近開發一種嶄新、極為穩定且高效的氫氣釋放反應（hydrogen evolution reaction，簡稱HER，又稱析氫反應）電催化劑。

電化學HER是一種獲廣泛應用的製氫方法，但商用的HER電催化劑一般由貴金屬製成，價格昂貴。單原子催化劑因其高活性、最大化的原子效率和最小化的催化劑用量，在催化HER應用上大有前景，科學家對此作深入研究。然而，傳統單原子催化劑的製造過程過於複雜，且須用上大量能源和時間。

新的電催化劑是基於二維礦物凝膠納米片，不含貴金屬，因而可作大規模生產，有助於在未來降低氫氣的價格。

城大機械工程學系兼材料科學及工程學系講座教授呂堅教授領導這項研究。他說：「與其他常見的單原子基質前驅體，如多孔框架及碳相比，我們發現礦物凝膠在大規模生產電催化劑上有極大優勢。因為其原料容易獲得，合成過程既簡單又環保，且所需反應條件溫和。」

實驗結果證明，新研發的催化劑電催化活性性能優異，且耐久及極為穩定。

團隊的科研成果已於《自然通訊》發表，題為「用於超穩定析氫的二維礦物水凝膠衍生的單原子錨定異質結構」。

論文的第一作者是機械工程學系呂富聰博士。通訊作者除了呂教授，還有材料科學及工程學系副教授李揚揚博士、哈爾濱工業大學孫李剛博士。

呂教授的團隊還取得另一突破，就是研發出一種新型析氫催化劑。

呂教授說：「研究團隊使用一種名為磁控共濺射的簡單方法，成功製作一種高效、低成本的鉑基電催化劑替代品，為這個問題找到有效解決方案。」

這種新型電催化劑基於AlMnRu（鋁、錳和釕）膜，同時具備晶態與非晶態的雙相合金納米結構。使用雙相材料是因為每個相各具優點：納米晶態相的局部化學不均勻性、短程有序與嚴重的晶格畸變有其可取之處，而非晶態具有大量的活性位點，且其發生析氫反應的能源障礙更低。

呂教授解釋說：「這種鋁基合金電催化劑具有獨特的黏合狀態，小型的晶格尺寸，晶態及非晶態共存，為高效的催化提供了結構基礎。我們選取鋁而非貴金屬作為催化劑的主要成分，同時選取比鉑廉價的釕作為貴金屬成分。」

這項創新成果已發表於頂級科學期刊《科學進展》，題為「用於析氫反應的晶體-玻璃納米結構鋁基電催化劑」。

曾任城大博士後研究員的劉思達博士（現任山東大學研究員）、城大材料科學及工程學系博士生李弘坤為論文共同第一作者。通訊作者為城大呂教授、李博士，及西安交通大學吳戈教授，吳教授在城大取得博士學位。其他來自城大的研究人員包括：曾任機械工程學系博士後的周彬斌博士（現任深圳先進電子材料國家創新研究院副研究員）、材料科學及工程學系博士生鍾景及李蘭西，以及機械工程學系博士生顏陽。