“氢气生产效率提升6倍”……KAIST开发纳米新材料合成平台

by Jeong Ilwoong

Published 20 Oct.2025 08:33(KST)

通过瞬间光照实现超高温，从而提高制氢催化剂效率的平台技术已经被开发出来。利用这一平台，仅用原来约千分之一的能量，就能将制氢效率最高提升至6倍。有观点认为，这将有望加速未来清洁能源技术的商业化进程。

KAIST表示，新材料工程系 Kim Ildoo 教授研究团队与电气及电子工程学部 Choi Sungyul 教授研究团队开发出一种“直接接触光热退火（Direct-contact photothermal annealing）”合成平台，仅需照射0.02秒光线就能合成高性能纳米新材料，此消息于20日对外公布。

（自左起）博士研究生 Park Seohak、博士 An Jaewan、博士研究生 Jeon Dokyeong、教授 Choi Seongyul、教授 Kim Il-Doo、博士 Park Choongseong、博士研究生 Shin Euicheol，（上排自左起）博士 Shin Hamin、博士 Choi Junhoe。KAIST 提供

这项技术是一种利用瞬间光照在极短时间内实现3000摄氏度超高温状态的催化剂合成技术。通过光实现的超高温状态，可以将坚硬且反应性较弱的“纳米金刚石（nano diamond）”转化为导电性优异、便于用作催化剂的高性能碳材料“碳纳米洋葱（Carbon Nano Onion）”。

研究团队通过这一技术，将相比以往基于电热丝加热的热处理工艺，能耗降低到约千分之一的水平，同时将工艺速度缩短了数百倍以上。

尤其值得关注的是，转化后的碳纳米洋葱表面可以让金属原子逐个附着，从而同时实现催化功能。仅通过瞬间光照，不但能将纳米金刚石的结构转变为碳纳米洋葱，还能为材料赋予全新的功能，可谓一举两得。

碳纳米洋葱是一种碳原子像洋葱一样多层堆叠而成的超微细球形材料，具有优异的电导率和耐化学性，非常适合作为催化剂载体。

但在以往工艺中，需要先合成碳纳米洋葱，再经历复杂工序负载催化剂；而采用电热丝加热的传统热处理方式能耗高、耗时长，商业化推进困难重重。

为解决上述问题，研究团队利用了将光能转化为热能的“光热效应（Photothermal effect）”。

具体做法是，将作为碳纳米洋葱前驱体的“纳米金刚石”与善于吸收光线的黑色“炭黑（Carbon Black）”混合，然后利用氙灯强烈闪光照射。

结果显示，仅用0.02秒，纳米金刚石就转化为碳纳米洋葱；分子动力学模拟也证实，这一过程在物理上完全可行。

尤其是，这一平台可以在一次工艺中同时完成碳纳米洋葱的合成和单原子催化剂的负载。如果同时加入铂等金属前驱体，金属会在原子尺度分解为“单原子催化剂”，并立即附着在新生成的碳纳米洋葱表面。

随后在快速冷却过程中，原子不会发生团聚，从而以单一工艺完整实现材料合成与催化功能化的高度一体化。

研究团队利用这一技术，还成功合成了包括铂（Pt）、钴（Co）、镍（Ni）在内的8种高密度单原子催化剂。研究团队强调，以此为基础制备的“铂单原子催化剂–碳纳米洋葱”在将制氢效率提升至原来的6倍的同时，即便大幅减少贵金属用量，依然能够实现高效率。

Kim 教授表示：“本研究团队开发的技术是一种比传统热处理节能逾1000倍的超高速合成–单原子催化剂功能化一体化工艺，预计今后将有助于加速氢能、气体传感器、环境催化等多种应用领域的商业化进程。”

此次研究中，KAIST新材料工程系 Jeon Dokyung 博士课程研究生与 Shin Hamin 博士（现为苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）博士后研究员）、KAIST电气及电子工程学部 Cha Junhoe 博士（现为SK hynix研究员）作为共同第一作者参与了研究。Choi Sungyul 教授和 Kim Ildoo 教授担任通讯作者。