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在我们之前的文章（团簇催化剂：揭开微型“泰坦"的力量│原子团簇介绍及其在电催化中的应用）中，我们深入研究了催化剂簇（超细颗粒）领域，它们可以对催化剂活性位点进行控制，从而大大提高催化剂的性能。

今天，我们将重点介绍一种非常特殊的电催化剂：单原子催化剂。这种催化剂具有最高的原子效率，这意味着活性物质的每个原子都可以有效地参与反应。此外，我们将探索进一步提高原子效率的方法，目标是提高绿色氢气生产的可行性。未来的能源载体！

PART. 01  克服障碍：扩大氢气生产规模，实现可持续发展

随着可持续解决方案的蓬勃发展，氢气越来越被视为能源领域的关键元素，有望在减少全球二氧化碳排放方面发挥关键作用。氢气作为一种清洁、多功能的能源载体，使其成为替代化石燃料和实现经济各部门脱碳的先进者。

尽管氢能潜力巨大，但将其融入能源系统的道路仍充满挑战。核心问题在于生产过程的可扩展性。当前的技术（例如电解槽）需要从兆瓦容量过渡到千兆瓦容量，以满足不断增长的需求。鉴于电解槽部署涉及大量资本成本，这种扩大规模不仅是一项技术挑战，而且是一项财务挑战。

铱：成本效益氢气生产的致命弱点

成本困境的核心在于对氧化铱的依赖，氧化铱是 PEM 水电解中阳极反应的关键催化剂。铱是地壳中储量最少的元素之一，因此其价格高昂，每公斤超过 160,000 欧元，预计随着时间的推移价格还会大幅上涨[1]。

铱的典型负载量在 1-2 mg/cm2范围内，按 2019 年的价格计算，它占质子交换膜 (PEM) 电解器 CAPEX（资本支出）的 10% 以上。

铱的高昂成本不仅带来了挑战，也带来了巨大的创新机遇。减少电解槽所需的铱量可以大幅降低总体资本成本，并为更经济可行的氢气生产铺平道路。这不仅是技术上的必要性，也是实现可持续能源未来的战略要务。

PART. 02  利用纳米技术改变催化剂性能

图 1：A) 气溶胶纳米打印 生产的 CCM 在 Ir 负载为 20% 时达到基准材料性能。B) 气溶胶纳米打印生产的 CCM 与基准材料的 Ir 特定功率密度相比，每克 Ir 催化剂的功率密度远高于基准。经参考文献许可转载【3】

VSparticle 的客户使用 VSP-G1 纳米粒子发生器实现了催化剂效率的突破，该发生器使用火花烧蚀技术生产铱纳米粒子[3]。这些纳米粒子只有 2nm 大小，被涂在膜上，显示出显著减少铱使用量的能力（图 1）。具体来说，与传统的商用铱基催化剂相比，它们将铱负载减少了四倍，同时保持了同等的性能水平。

1减小粒径对催化剂活性的影响

提高效率的关键在于减小铱纳米粒子的尺寸。这些粒子的尺寸仅为 2 纳米，相对于其体积而言，其表面积更大，从而显著提高了它们的反应性。催化活性的提高意味着，与较大的传统铱催化剂相比，需要更少的铱就能达到相同的性能水平。这不仅代表了资源效率的飞跃，而且还凸显了大规模应用中潜在的成本节约。虽然这本身就是一项了不起的成就，但在这篇博文中，我们将探讨通过单原子催化剂进一步降低成本的可能性：催化剂中的催化活性位点仅由一个原子组成！

2单原子铱催化剂的效率

单原子催化剂代表了原子效率的较高水平，重新定义了催化剂的功能。它们仅由一个活性位点组成，该位点由放置在支撑结构上的单个原子组成（图 2）[3]。如果铱的催化活性由元素本身决定，那么利用单个原子作为活性位点，而不是一簇粒子，将最大限度地减少实现所需催化性能所需的材料。此外，初步研究结果表明，这种效率不会以牺牲有效性为代价：单原子铱催化剂在 PEM 电解中的阳极反应中表现出高水平的活性，超过了通常使用纳米颗粒催化剂实现的性能[4]。

图 2：各种催化剂尺寸随原子利用率的增加而变化，其电子结构和决定反应性的主导结构因素也随之变化【5】

3当前合成技术的缺陷

生产单原子催化剂的一个重大障碍是当前合成方法的低效率。这些方法虽然能够生产单原子催化剂，但嵌入催化剂会将这些原子嵌入材料本体中，而不是将它们定位在有效的表面。这种错位导致大多数这些有效的单原子无法接近，无法参与催化反应。这浪费了贵金属，导致资本支出高昂，但没有任何好处！

PART. 03  采用火花烧蚀的单原子催化

VSParticle 技术采用火花烧蚀技术，该技术可在气溶胶中产生纳米颗粒[6]。该技术涉及产生火花放电，使目标材料（在本例中为铱）蒸发，从而产生原子云，这些原子云迅速冷却并形成颗粒。与传统方法不同，火花烧蚀技术可以将这些颗粒仅定位在基材表面，从而增强其暴露和反应性。从理论上讲，如果可以快速将原子云暴露在载体上，并防止它们聚结（形成更大的颗粒），就可以生产单原子催化剂。这样就可以产生原子效率达到 100% 的 PEM 催化剂！问题是，它在技术上可行吗？

火花烧蚀在常压下产生纳米粒子甚至更小的纳米簇和原子簇

从粒子到团簇再到单个原子

最近，VSParticle 客户已经证明，用火花烧蚀产生的粒子的尺寸可以一直减小到几十个原子[7]。此外，它们可以固定在载体上而不会团聚并用于电解（图3）。与以前的标准相比，每个催化剂颗粒的原子数减少了100 倍，非常接近单原子催化剂的生成。这表明它在技术上是可行的。

图 3：小至 40 个原子的 Cu-Ag 团簇沉积在导电碳载体上【7】

而在更高分辨率的 TEM 下，可以发现使用多元金属产生的纳米簇周围出现明显的分散原子以及原子簇（图四）。而在另一项实验中，根据 DMA & API TOF mass 数据显示，如果采用 Ag 电极，可以在大气压条件下产生大量的 2nm 以下团簇以及 5个原子以下的原子簇[9]。

由此可见，在工程中使用电火花烧蚀的方法至少可以进行单原子/原子簇催化剂的生产和沉积，但其扩大化和稳定合成仍需要更多的探索。

VSParticle 纳米印刷沉积系统：改变了（半）导电氧化物负载催化剂的合成

VSParticle 是（纳米）粒子生成和印刷领域的先驱。该公司的旗舰产物 VSP-P1 能够快速轻松地合成和印刷（半）导电纳米多孔层，适用于各种应用。

VSP-P1 纳米印刷沉积系统配备齐全，可生产与催化剂载体相关的（半）导电氧化物载体[8]。纳米打印机与两个 VSP-G1 源的组合允许依次打印载体层和催化剂层。或者，使用共沉积配置同时生产载体和催化剂层可为催化剂设计提供更大的灵活性[9]。

请继续关注我们的下一篇博客文章，我们将深入探讨高熵合金的广阔配置空间，以及如何利用人工智能闭环优化方案来充分发挥其潜力。

参考文献

【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