江蘇鐳射聯盟導讀：
來自NationalResearch Council of Science & Technology新發布，鹼性燃料電池製造有了新進展。
上圖展示了一個使用人工閃電的單原子催化劑合成反應。來源：Korea Institute of Science and Technology (KIST)
鹼性燃料電池(AFC)將氫和氧的化學能轉化為電能，但只產生水作為副產品。這使它們成為極具吸引力的下一代環保能源。雖然鉑催化劑一般用於鹼性燃料電池，但它們價格昂貴，而且在鹼性燃料電池中使用時，也遇到了與穩定性相關的挑戰。因此，在碳載體上形成的單原子催化劑(SACs)正成為下一代催化劑的候選替代品。然而，這些單原子催化劑的商業化是困難的，因為它們的生產中通常採用複雜的合成方法。這些複雜的過程需要防止金屬原子的結合，這與催化劑效能的退化有關。
韓國科學技術研究院(KIST)功能複合材料研究中心的Nam Dong Kim博士和氫燃料電池研究中心的Sung Jong Yoo博士領導的研究小組的研究工作中，電弧被用來生產高效能的鈷基單原子催化劑。在這裡，電弧的新用途(主要用於電焊)導致了一種原始技術的發展，這種技術可以在商業規模(10 g/h)上生產廉價、高效能的鈷基單原子催化劑。
a)製造SACs的閃光自底向上電弧放電方法。b) SEM影象，c) TEM影象，d) Co1/CNH的HADDF-STEM影象，e) Co箔、CoCl2、Co1/CNH和Co1/NAG的fourier變換EXAFS光譜，f) SEM影象，g) TEM影象，h) Co1/NAG的HADDF-STEM影象。
研究表明，該催化劑的氧還原能力是傳統鉑催化劑的兩倍以上，耐久性是傳統鉑催化劑的10倍以上。這些鈷基單原子催化劑在應用於實際燃料電池時也比現有的鈷基催化劑表現得更好。
本研究的重點是利用電弧將元素分解成原子態，然後在電弧內進行高能態的複合。將選定的金屬和碳材料混合後，用電弧將金屬分解成原子。在複合過程中，這些金屬原子填充了高度結晶的奈米碳晶格中的空間，這意味著催化劑可以在不聚集的情況下合成。結果還表明，這種單原子催化劑合成方法適用於各種過渡金屬，包括鉑、鈷、錳、鎳和鐵。
電弧合成單原子催化劑的原理圖。來源：Korea Institute of Science and Technology (KIST)
來自KIST的Nam Dong Kim博士在解釋這項研究時提到，“這項研究的關鍵特點是，透過提高下一代鹼性燃料電池催化劑的功能和耐久性，我們能夠利用更便宜的催化劑作為昂貴鉑催化劑的替代品。”他補充說，“我們預計這些催化劑的應用將超出下一代鹼性燃料電池的設計和製造過程，到其他各種電化學轉換系統，這將大大有助於建立碳中和和氫經濟。”
a-c) XPS Cl 2p, N 1s，以及合成的M1/CNH的各種金屬光譜。d)不同溫度氨退火的Co1/CNH、Co1/CNH催化劑的總氮含量、Co - n和Co - cl面積比(Co - n和Co - cl比值由Co 2p XPS光譜反褶積得到)。e)不同熱處理溫度下Co1/CNH、Co1/CNH催化劑的XPS N 1s光譜。f)不同溫度退火後CoCl2、CoPc、Co1/CNH和Co1/CNH催化劑的XPS Co 2p光譜。g)傅立葉變換EXAFS譜。h) Co箔、Co1/CNH和Co1/CNH催化劑在不同溫度下退火後的EXAFS的小波變換。
來源：Flash Bottom‐Up Arc Synthesis of Nanocarbons as a Universal Route for FabricatingSingle‐Atom Electrocatalysts, Small Methods (2021). DOI:10.1002/smtd.202100239
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