1克实现82克效果…用铂单原子催化剂大幅降低制氢成本[读懂科学]

by Kim Jonghwa

Published 07 Jan.2026 12:00(KST)

揭示铂原子凝聚“临界点”…突破单原子催化剂性能极限

一种能够将昂贵的铂（Pt）原子“一个不浪费”、在制氢反应中实现100%利用的“极限催化技术”，已由韩国本土研究团队成功开发。这一成果在原子尺度上精确揭示并调控了可称为自然界本能的原子间团聚现象。

韩国研究财团表示，由 Ajou University 化学系教授 Yoo Seongju 研究团队开发出一项技术，能够将决定制氢催化剂性能的铂原子稳定地保持在互不团聚的单原子状态，从而将催化效率提升至理论极限水平。

根据铂（Pt）原子的结构稳定性不同而产生氢气效率差异的概念示意图。当地铂原子密度超过临界值时，原子迁移与聚集被促进，形成团块（簇或纳米颗粒），从而降低催化性能（左图）。相反，空间上充分分离的铂原子在反应过程中不会聚集，能够与活化电子高效反应，从而实现快速制氢（右图）。Ajou University 教授 Yoo Sungjoo 提供

以往的铂催化剂多以纳米颗粒形式广泛使用，但位于颗粒内部的原子无法真正参与化学反应，导致效率偏低，同时需要大量昂贵的铂，存在明显局限。如果将铂以单原子为单位高度分散，则所有原子都能参与反应，从而实现效率最大化。然而，由于处于不稳定状态的铂原子具有再次互相聚集的倾向，催化性能会急剧下降，这一直是个难题。

为此，研究团队在真实的制氢反应环境下，揭示了铂原子开始发生团聚的结构临界点。通过实验与理论模型，团队发现，一旦超过这一临界点，单原子活性位点的数量会呈指数级减少，催化性能也随之急剧衰减。

极限设计，将每一个原子用到极致……1克实现82克效果

基于上述分析，研究人员提出了保证铂原子始终保持单原子状态的最优设计条件，并通过在常温下混合前驱体溶液、随后进行热处理这一无需复杂工艺的简单合成方法，成功制备出高性能催化剂。

结果显示，新开发的催化剂仅用1克铂，就展现出相当于传统纳米颗粒铂催化剂82克的制氢能力。这一成果大幅提升了单位质量催化剂的活性，意味着只需最少量的铂即可显著降低制氢成本。

单原子铂（Pt）粒子的电子显微镜照片。箭头所指的亮点表示均匀分散在载体表面上的单个铂（Pt）原子，可确认铂未发生团聚而处于稳定分散状态。Yoo Seongju 亚洲大学教授提供

此外，在长时间连续运行实验中，该催化剂在没有活性位点减少或结构崩塌的情况下，始终保持初始性能，证明其已具备实现商业化所需的耐久性。研究团队预计，这将有望同时降低绿色制氢装置的初期投资成本和运营成本。

Yoo Seongju 教授表示：“本研究在原子层面理解了催化性能衰减的原因，并提出了最为简洁且本质性的解决策略”，并称“通过最大化提高昂贵贵金属的利用度，有望为多种环保能源工艺的成本削减作出贡献”。

该研究成果以“用于太阳能制氢的原子分散铂催化剂稳定性临界点的阐明（Stability Thresholds of Atomically Dispersed Platinum Catalysts for Solar Hydrogen Production）”为题，于2025年12月17日在线发表在化学领域顶级国际学术期刊《Angewandte Chemie International Edition》上。