韓國科學家設計了成本低廉的釕基“核殼結構催化劑”，提升了催化劑的商業化潛力，被著名催化雜誌《能源與環境科學》選為封面論文。

核殼納米團簇示意圖。圖片來源：首爾國立大學工程學院

首爾國立大學工學院宣佈在環保氫氣生產方面取得重大進展。由材料科學與工程系金鎮永教授領導的研究團隊與國民大學的李燦宇教授和韓國科學技術研究院 ( KIST ) 的劉成鍾博士合作，開發出了一種非常先進的電化學催化劑。這一突破有望推動下一代可持續氫氣生產技術。

該催化劑採用具有核殼結構的釕基納米團簇。儘管只含有少量貴金屬，但它具有出色的性能和卓越的穩定性。在工業規模的水電解系統中進行測試時，它表現出令人印象深刻的效率，顯示出強大的商業應用潛力。

（從左至右）Hyun Woo Lim 博士（第一作者，首爾國立大學材料科學與工程系）、Jin Young Kim 教授（通訊作者，首爾國立大學材料科學與工程系）、Chan Woo Lee 教授（通訊作者，國民大學應用化學系）和 Sung Jong Yoo 博士（通訊作者，韓國科學技術研究院）。圖片來源：首爾國立大學工程學院

該項研究成果發表於催化領域的頂級期刊《能源與環境科學》 ，並被選為封面論文，凸顯了其創新方法和學術影響力。

氫氣被廣泛視為清潔能源，因為燃燒時不會排放二氧化碳，是化石燃料的有前途的替代品。生產環保氫氣的最有效方法之一是通過水電解，即利用電能將水分解為氫氣和氧氣。在各種電解方法中，陰離子交換膜水電解 (AEMWE) 因其能夠生產高純度氫氣而作為下一代技術受到關注。然而，要使 AEMWE 實現商業可行性，它需要既高效又具有長期穩定性的催化劑。

納米粒子表現出高活性但低穩定性，而塊體材料表現出高穩定性但低活性。通過利用兩種材料的優點，合成了一種兼具高活性和高穩定性的核殼納米團簇材料。圖片來源：《能源與環境科學》，最初發表於《能源與環境科學》

目前，鉑（Pt）是應用最廣泛的制氫催化劑，但其成本高且降解速度快，帶來了重大挑戰。雖然研究人員已經探索了非貴金屬替代品，但這些材料通常效率低、穩定性差，不適合工業用途。

為了克服這些限制，研究團隊開發了一種基於釕 (Ru) 的新型核殼納米團簇催化劑，其成本效益是鉑的兩倍多。通過將催化劑尺寸減小到 2 納米 (nm) 以下，並將貴金屬用量降至傳統鉑基電極所用量的三分之一，該團隊實現了超越現有鉑催化劑的卓越性能。

新開發的催化劑性能比同等貴金屬含量的鉑催化劑高出4.4倍，為析氫反應效率樹立了新標杆，創下了迄今為止報導的析氫催化劑中的最高性能。其獨特的泡沫電極結構優化了反應物質的供應，確保在高電流密度下也能保持出色的穩定性。

在工業規模的 AEMWE 測試中，與商用鉑催化劑相比，新催化劑所需的功率明顯更低。這一結果鞏固了其作為下一代水電解技術變革性解決方案的潛力。

首先，通過初始熱液合成將二氧化鈦 (TiO₂) 摻雜鉬 (Mo)。接下來，進行額外的熱液合成，將氧化釕 (RuO₂) 沉積到摻雜鉬的二氧化鈦基底上。隨後在空氣中進行低溫熱處理 (200°C) 促進鈦、鉬和氧化釕之間的擴散，形成核殼結構。最後，氫析出反應過程中的電化學還原導致合成獨特的核殼納米團簇材料。圖片來源：《能源與環境科學》，最初發表於《能源與環境科學》

開發過程涉及幾個關鍵創新。首先，研究團隊用過氧化氫處理鈦泡沫基材，形成一層薄薄的二氧化鈦層。然後摻雜過渡金屬鉬（Mo）。接下來，將尺寸僅為 1-2 納米的氧化釕納米顆粒均勻沉積在改性基材上。

精確的低溫熱處理誘導原子級擴散，形成核殼結構。在氫析出反應中，電化學還原過程進一步增強了材料的性能，形成了由多孔還原二氧化鈦單層包裹的釕金屬核，金屬鉬原子位於介面處。

展望未來，核殼納米團簇催化劑有望顯著提高氫氣生產效率，同時大幅減少所需的貴金屬量，最終降低生產成本。其高性能和經濟可行性的結合使其成為汽車氫燃料電池、環保交通系統、氫能發電廠和各種工業應用的有力候選者。

除了實際應用之外，這一突破代表了一項重大的技術進步，可以加速從基於化石燃料的能源系統向氫驅動經濟的轉變。

金鎮永教授強調了這項研究的影響，他表示：“核殼催化劑儘管小於 2 納米，但表現出了卓越的性能和穩定性。這一突破將為納米核殼器件製造技術和氫氣生產的發展做出重大貢獻，使我們更接近碳中和的未來。”

與此同時，這項研究的第一作者 Hyun Woo Lim 博士已被選入政府的世宗獎學金計劃，並繼續在首爾國立大學金教授的實驗室擔任博士後研究員進行研究。他目前的重點是進一步開發和商業化核殼催化劑技術。

編譯自/ScitechDaily