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电解溶液通过表面布满针尖的催化剂“松球”时，产氢效率大大提高。李进图

　　电解水制氢由于零污染、零排放的优点正受到越来越多研究者的关注，作为其中关键一环，各种新型催化材料也层出不穷。近日，中国科学技术大学教授宋礼、江俊合作，另辟蹊径利用催化效果最好的铂金属，巧妙设计了遍布针尖的“松球结构”催化剂。

　　与商业铂碳催化剂相比，在保持催化制氢效果不变的情况下，铂金属的用量大约只要原来的1/75，大大降低了催化剂的成本。6月3日，相关成果在线发表于《自然—能源》。

　　催化过程一般发生在催化剂表面，且参与反应的是单个或近邻的几个原子。按照传统方式制造的铂催化剂，表层的铂原子忙得不亦乐乎，内层的铂原子却无所事事。怎样让催化剂中的铂原子不“偷懒”，每个都动起来呢？

　　宋礼课题组想到了一个好办法，能够最大限度地使铂原子处于催化剂的表面。首先，他们选择了单位质量下拥有最大表面的球形，将之前扁平的催化剂都做成一颗颗“球”，将以前局限在二维平面的反应改造成了三维立体的反应。这相当于曾经的一间小平房被改造成了一个球形小高层，可容纳的“人数”即可以发生反应的场地大大增加了。

　　同时，每个铂原子都位于球形的表面，保证了它们都在“生产一线”。这样催化剂形成了一个表面满是针尖的“球”，每个针尖都是一个单原子铂，没有“人”可以“躲”在后面偷懒。“这个设计还带来一个惊喜的附加效果。理论模拟发现，弯曲的球面会在尖端铂原子处形成非常强的局域电场，相当于给铂原子脚上加了一个加速履带，可以进一步增强催化效率。”江俊说。

　　最后测试结果表明，当电解溶液中的反应物通过一颗颗表面遍布针尖的“松球”时，形成氢气的速率大大增加。“在产氢量相同的情况下，我们设计的催化剂只需要一份铂，而传统商业铂碳催化剂则需要七八十份铂，这在很大程度上降低了催化剂的成本。”宋礼表示。

　　审稿人对此评价：“这是一项关于单原子催化剂的相当复杂的研究，作者通过维度设计来调节电荷和局部电场，提高铂原子的催化作用。我很欣赏这些有趣的想法。”

　　据悉，铂金属在电化学制氢反应中拥有很重要的地位，该工作最大限度地减少了铂用量但并未影响制氢反应催化效果，有望实现规模化应用；同时深入理解了催化剂效果与结构之间的联系，为进一步优化催化剂的性能指明了方向。

　　（原载于《中国科学报》 2019-06-10 第4版 综合)