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在我們之前的文章（團簇催化劑：揭開微型“泰坦"的力量│原子團簇簡介及其在電催化中的應用）中，我們深入研究了催化劑簇（超細顆粒）領域，它們可以對催化劑活性位點進行控制，從而大大提高催化劑的性能。
今天，我們將重點介紹一種非常特殊的電催化劑：單原子催化劑。這種催化劑具有最高的原子效率，這意味著活性物質的每個原子都可以有效地參與反應。此外，我們將探索進一步提高原子效率的方法，目標是提高綠色氫氣生產的可行性。未來的能源載體！
隨著可持續解決方案的蓬勃發展，氫氣越來越被視為能源領域的關鍵元素，有望在減少全球二氧化碳排放方面發揮關鍵作用。氫氣作為一種清潔、多功能的能源載體，使其成為替代化石燃料和實現經濟各部門脫碳的先進者。
盡管氫能潛力巨大，但將其融入能源系統的道路仍充滿挑戰。核心問題在于生產過程的可擴展性。當前的技術（例如電解槽）需要從兆瓦容量過渡到千兆瓦容量，以滿足不斷增長的需求。鑒于電解槽部署涉及大量資本成本，這種擴大規模不僅是一項技術挑戰，而且是一項財務挑戰。
銥：成本效益氫氣生產的致命弱點
成本困境的核心在于對氧化銥的依賴，氧化銥是 PEM 水電解中陽極反應的關鍵催化劑。銥是地殼中儲量最少的元素之一，因此其價格高昂，每公斤超過 160,000 歐元，預計隨著時間的推移價格還會大幅上漲[1]。
銥的典型負載量在 1-2 mg/cm2范圍內，按 2019 年的價格計算，它占質子交換膜 (PEM) 電解器 CAPEX（資本支出）的 10% 以上。
銥的高昂成本不僅帶來了挑戰，也帶來了巨大的創新機遇。減少電解槽所需的銥量可以大幅降低總體資本成本，并為更經濟可行的氫氣生產鋪平道路。這不僅是技術上的必要性，也是實現可持續能源未來的戰略要務。
圖 1：A) 氣溶膠納米打印 生產的 CCM 在 Ir 負載為 20% 時達到基準材料性能。B) 氣溶膠納米打印生產的 CCM 與基準材料的 Ir 特定功率密度相比，每克 Ir 催化劑的功率密度遠高于基準。經參考文獻許可轉載【3】
VSparticle 的客戶使用 VSP-G1 納米粒子發生器實現了催化劑效率的突破，該發生器使用火花燒蝕技術生產銥納米粒子[3]。這些納米粒子只有 2nm 大小，被涂在膜上，顯示出顯著減少銥使用量的能力（圖 1）。具體來說，與傳統的商用銥基催化劑相比，它們將銥負載減少了四倍，同時保持了同等的性能水平。
1減小粒徑對催化劑活性的影響
提高效率的關鍵在于減小銥納米粒子的尺寸。這些粒子的尺寸僅為 2 納米，相對于其體積而言，其表面積更大，從而顯著提高了它們的反應性。催化活性的提高意味著，與較大的傳統銥催化劑相比，需要更少的銥就能達到相同的性能水平。這不僅代表了資源效率的飛躍，而且還凸顯了大規模應用中潛在的成本節約。雖然這本身就是一項了不起的成就，但在這篇博文中，我們將探討通過單原子催化劑進一步降低成本的可能性：催化劑中的催化活性位點僅由一個原子組成！
2單原子銥催化劑的效率
單原子催化劑代表了原子效率的較高水平，重新定義了催化劑的功能。它們僅由一個活性位點組成，該位點由放置在支撐結構上的單個原子組成（圖 2）[3]。如果銥的催化活性由元素本身決定，那么利用單個原子作為活性位點，而不是一簇粒子，將最大限度地減少實現所需催化性能所需的材料。此外，初步研究結果表明，這種效率不會以犧牲有效性為代價：單原子銥催化劑在 PEM 電解中的陽極反應中表現出高水平的活性，超過了通常使用納米顆粒催化劑實現的性能[4]。
圖 2：各種催化劑尺寸隨原子利用率的增加而變化，其電子結構和決定反應性的主導結構因素也隨之變化【5】
3當前合成技術的缺陷
生產單原子催化劑的一個重大障礙是當前合成方法的低效率。這些方法雖然能夠生產單原子催化劑，但嵌入催化劑會將這些原子嵌入材料本體中，而不是將它們定位在有效的表面。這種錯位導致大多數這些有效的單原子無法接近，無法參與催化反應。這浪費了貴金屬，導致資本支出高昂，但沒有任何好處！
VSParticle 技術采用火花燒蝕技術，該技術可在氣溶膠中產生納米顆粒[6]。該技術涉及產生火花放電，使目標材料（在本例中為銥）蒸發，從而產生原子云，這些原子云迅速冷卻并形成顆粒。與傳統方法不同，火花燒蝕技術可以將這些顆粒僅定位在基材表面，從而增強其暴露和反應性。從理論上講，如果可以快速將原子云暴露在載體上，并防止它們聚結（形成更大的顆粒），就可以生產單原子催化劑。這樣就可以產生原子效率達到 100% 的 PEM 催化劑！問題是，它在技術上可行嗎？
火花燒蝕在常壓下產生納米粒子甚至更小的納米簇和原子簇
從粒子到團簇再到單個原子
最近，VSParticle 客戶已經證明，用火花燒蝕產生的粒子的尺寸可以一直減小到幾十個原子[7]。此外，它們可以固定在載體上而不會團聚并用于電解（圖3）。與以前的標準相比，每個催化劑顆粒的原子數減少了100 倍，非常接近單原子催化劑的生成。這表明它在技術上是可行的。
圖 3：小至 40 個原子的 Cu-Ag 團簇沉積在導電碳載體上【7】
而在更高分辨率的 TEM 下，可以發現使用多元金屬產生的納米簇周圍出現明顯的分散原子以及原子簇（圖四）。而在另一項實驗中，根據 DMA & API TOF mass 數據顯示，如果采用 Ag 電極，可以在大氣壓條件下產生大量的 2nm 以下團簇以及 5個原子以下的原子簇[9]。
由此可見，在工程中使用電火花燒蝕的方法至少可以進行單原子/原子簇催化劑的生產和沉積，但其擴大化和穩定合成仍需要更多的探索。
VSParticle 納米印刷沉積系統：改變了（半）導電氧化物負載催化劑的合成
VSParticle 是（納米）粒子生成和印刷領域的先驅。該公司的旗艦產品 VSP-P1 能夠快速輕松地合成和印刷（半）導電納米多孔層，適用于各種應用。
VSP-P1 納米印刷沉積系統配備齊全，可生產與催化劑載體相關的（半）導電氧化物載體[8]。納米打印機與兩個 VSP-G1 源的組合允許依次打印載體層和催化劑層。或者，使用共沉積配置同時生產載體和催化劑層可為催化劑設計提供更大的靈活性[9]。
請繼續關注我們的下一篇博客文章，我們將深入探討高熵合金的廣闊配置空間，以及如何利用人工智能閉環優化方案來充分發揮其潛力。
參考文獻
【1】
【2】Mayyas, A. T., Ruth, M. F., Pivovar, B. S., Bender, G. & Wipke, K. B. Manufacturing Cost Analysis for Proton Exchange Membrane Water Electrolyzers.
【3】Koolen, C. D., Luo, W. & Züttel, A. From Single Crystal to Single Atom Catalysts: Structural Factors Influencing the Performance of Metal Catalysts for CO2 Electroreduction. ACS Catal. 948–973 (2022) doi:10.1021/acscatal.2c03842.
【4】Zhu, Y. et al. Iridium single atoms incorporated in Co3O4 efficiently catalyze the oxygen evolution in acidic conditions. Nat. Commun. 13, 7754 (2022).
【5】Schmidt-Ott, A. Spark Ablation: Building Blocks for Nanotechnology. (Jenny Stanford Publishing, 2020).
【6】Scalable synthesis of Cu(-Ag) oxide clusters via spark ablation for the highly selective electrochemical conversion of CO2 to acetaldehyde.
【7】Drdova, S. et al. Precursor- and waste-free synthesis of spark-ablated nanoparticles with enhanced photocatalytic activity and stability towards airborne organic pollutant degradation. Environ. Sci. Nano 11, 1023–1043 (2024).
【8】Tiwari, A. et al. X-ray standing wave characterization of the strong metal–support interaction in Co/TiOx model catalysts. J. Appl. Crystallogr. 57, 481–491 (2024).
【9】Source: Pfeiffer et al. (2016). Precursor Less Coating of Nanoparticles in the Gas Phase
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