釜山大学将石墨烯与铂镍纳米粒子结合…效率最高提升至3倍
成本与性能兼具的下一代催化剂有望引领氢能创新
材料工学系 Lee Jungwoo 教授团队成果登上国际期刊“EcoMat”封面
釜山大学研究团队开发出了从水中提取氢气的水电解技术以及用于氢燃料电池的新型催化剂。
这一新型催化剂是将价格低廉的镍与迄今为止用作催化剂的昂贵铂混合制成纳米级颗粒，并与石墨烯结合而成。与既有催化剂相比，其效率最高可提升至3倍，同时能在10小时以上保持性能，有望推动下一代能源技术的创新。
釜山大学（校长 Choi Jaewon）6日表示，材料工学部 Lee Jeongwoo 教授团队通过精确调控铂基合金的成分变化实现晶格收缩控制，并利用纳米合金颗粒—石墨烯异种元素键合，成功开发出了具有高电流密度的水电解及氢燃料电池用催化剂。
据研究团队介绍，水电解（Water electrolysis）是向水中施加电能，将其分解为氢气和氧气的技术，在分解过程中不会引入二氧化碳（CO2）等碳基物质，具有这一优点。
由于持续使用化石燃料引发的温室效应及环境问题，人们对替代能源开发和利用的关注度不断提高。尤其是氢能源因其单位质量能量密度高、燃烧时不产生二氧化碳等特性，而备受关注，被视为下一代可再生能源。
其中，水电解和燃料电池技术是在不使用碳基物质的情况下生产和利用氢能源的技术，相关研究正在广泛开展。目前，含有大量铂纳米颗粒的非晶碳材料——铂/炭黑被用作商用催化剂。
但铂/炭黑因铂价格昂贵、储量有限以及炭黑长期稳定性较低，在大规模生产和商业化方面面临困难。
为此，釜山大学 Lee Jeongwoo 教授团队开展了在减少铂用量的同时提升催化剂活性和耐久性的研究。
镍（Ni）是过渡金属之一，其价格约为铂的1/2000，与铂混合制成合金时，在制氢和氧还原反应中可产生协同效应，从而表现出更优异的催化性能，这一特性已为人所知。
此外，作为碳的同素体之一，石墨烯（Graphene）在理论上具有很高的比表面积（单位质量颗粒的表面积）和电子迁移率，已被证实可作为替代传统炭黑的催化剂载体；若在石墨烯中掺杂氮等异种元素，则可进一步提升其活性和耐久性。
研究团队开发的材料采用利用微波的溶液相工艺制备，即将数纳米尺寸、均一的铂-镍纳米合金颗粒负载到氮掺杂石墨烯表面。
这一合成过程以含有羟基（-OH）的有机材料多元醇（Polyol）为溶剂，在施加微波时，通过多元醇振动产生的摩擦热还原离子形态的金属前驱体，从而诱导成核（Nucleation），按此原理进行。该方法可在数分钟内制备出数纳米尺寸且均一的材料，具有能在工艺过程中节省时间和成本的优点。
形成的铂-镍纳米合金簇由于铂和镍原子尺寸差异而产生晶格收缩（Lattice strain），通过调节铂与镍之间的成分，可控制这种收缩程度，从而把握催化剂活性趋势并选定最优成分。
同时，掺杂在石墨烯表面的氮由于与周围碳之间的电负性差异而具有较高的表面能，铂-镍纳米合金簇便在这些氮位置发生非均匀成核并合成，与之形成化学键。在此过程中，键合氮与合金簇之间的电子迁移以及较高的键合能，使其表现出比碳—合金簇键合更高的催化活性和耐久性。
制备出的催化剂由于具有最优化铂-镍成分的合金簇与氮掺杂石墨烯之间的协同效应，与现有使用的铂/炭黑材料相比，在氧还原反应中比表面积活性（Specific activity）和质量活性（Mass activity）提升约3倍以上，在制氢反应中比表面积活性和质量活性也提升约2倍。
最终实现的催化剂被应用于锌-空气二次电池，与现有商用铂及铱催化剂相比，其功率密度（Power density）提高约2倍以上。在充放电超过10小时后，仍保持初始活性。
研究团队收集了在催化剂表面生成的氢气，观察其随时间变化的体积，结果显示在一定时间间隔内收集的氢气量呈线性增加，证实可以稳定地生产氢气。基于这些结果，研究团队认为，该催化剂作为下一代能源生产与利用材料，有望应用于氢燃料汽车、公交车等移动出行工具以及发电系统等多个领域。
釜山大学 Lee Jeongwoo 教授表示：“本研究成果的意义在于，通过微波加热实现的高速合成工艺和调节铂-镍成分变化控制晶格收缩程度，并形成纳米合金簇—氮键合，从而实现了比传统铂催化剂更高的催化活性。”他还表示：“该工艺不仅能实现快速、简便的催化剂制备，还能在减少铂用量的同时提升催化剂的活性和耐久性，因此未来在多方面的应用值得期待。”
本研究由釜山大学材料工学部博士课程学生 Jo Seunggeun 和硕士毕业生 Park Gilryeong 担任第一作者，釜山大学 Lee Jeongwoo 教授担任通讯作者，并与国立安东大学电气·新材料工学部 Lee Deokhyeon 教授团队以及韩国能源技术研究院 Kim Seoni 博士团队共同合作完成。该研究得到了韩国能源技术评价院和产业通商资源部的能源人才培养项目，以及科学技术产业化振兴院和科学技术信息通信部的产学研合作平台构建示范项目的资助。
相关论文发表于世界知名科学期刊《EcoMat》2024年12月15日刊，并因其研究优秀性被选为封面论文。
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