中國科大宋禮教授和江俊教授課題組合作，巧妙設計出遍布針尖的 「松球結構」催化劑。（製圖：李進）
【香港商報網訊】當科學家非比尋常的思維遇上自然界尋常可見的現象，往往會催生非同凡響的發現。例如，牛頓看到一個蘋果從樹上掉落，從而敲開了萬有引力定律的發現之門。日前，中國科學技術大學宋禮教授和江俊教授受松科植物球果的啟發，設計出「松球結構」催化劑，在電解水製氫催化劑結構領域取得重大進展。
6月3日，《自然·能源》在線發表了上述成果。審稿人評價稱：「這是一項關於單原子催化劑的相當複雜的研究，作者通過維度設計來調節電荷和局部電場，提高鉑原子的催化作用。我很欣賞這些有趣的想法。」
氫能被視為21世紀最具發展潛力的清潔能源。如何高效廉價地製取氫氣，是其市場化的關鍵環節。由於零污染與零排放等因素，電解水製氫是最被業界看好的方式之一，而使用何種催化劑成為世界性難題。
鉑金屬用量降低近75倍
近日，中國科大宋禮教授和江俊教授合作，推陳出新，獨闢蹊徑，利用催化效果最好的鉑金屬巧妙設計了遍布針尖的「松球結構」催化劑，在保持催化製氫效果不變的情況下，與商業鉑碳催化劑相比，鉑金屬的用量減少了近75倍，催化劑的成本因此大幅降低。
在《紅樓夢》里的賈府，幹活的幾個人忙得團團轉，但是還有一堆閑雜人等，消耗成本，卻毫無所出。在電解水製氫過程中，傳統催化劑與之境況相似。
據了解，催化動作一般都發生在催化劑的表面，且參與反應的僅僅是單個或近鄰的幾個原子。按照傳統方式製造的鉑催化劑，表層的鉑原子忙得不亦樂乎，內層的鉑原子卻只能無所事事地乾瞪眼，白白消耗成本卻對產出絲毫無益。
如何讓催化劑中的鉑原子全體動起來？或者說，能夠最大化地使鉑原子處於催化劑的表面？宋禮教授課題組想到了一個妙招。他們選擇了單位質量下擁有最大表面的球形，將之前扁平的催化劑做成一顆顆「球」，將以前局限在二維平面的反應改造成了三維立體的反應。
如此一來，曾經的一間小平房被改造成了一個球形小高層，可容納的人數——也就是可以發生反應的場地——大大增加了。同時，每個鉑原子都位於球形的表面，保證了它們都在「生產一線」。於是，催化劑形成了一個表面滿是針尖的「球」，每個針尖都是一個單原子鉑，沒有「人」可以「躲」在後面偷懶。
局域電場增強催化效率
江俊教授說：「這個設計還帶來一個驚喜的附加效果，理論模擬發現，彎曲的球面會在尖端鉑原子處形成非常強的局域電場，相當於給鉑原子腳上加了一個加速履帶，可以進一步增強催化效率。」
測試結果表明，當電解溶液中的反應物通過一顆顆 「球」時，形成氫氣的速率大大增加。 「在產氫量相同的情況下，我們設計的催化劑只需要一份鉑，而傳統商業鉑碳催化劑則需要七八十份的鉑，這在很大程度上降低了催化劑的成本。」宋禮教授如是說。（范瓊 柏永）