我院王熙教授课题组在化学化工领域期刊Angewandte Chemie International Edition上发表题为“Single-Atom or Dual-Atom in TiO2 Nanosheet: Which is the Better Choice for Electrocatalytic Urea Synthesis?”的论文，通讯作者为王熙教授,该工作为寻找新型、高效燃料电池等电催化剂提供新的思路。

       随着世界能源工业逐渐从“油气时代”转向“氢能时代”，预计在21世纪中叶全球将进入“氢能经济”时代。Pt基等贵金属催化剂是决定整个燃料电池体系成本的重要因素。其瓶颈在于能源催化技术革新这一源头创新。比如，燃料电池中Pt基催化剂的核心技术就是一项“卡脖子”技术之一，主要为英国Johnson Matthey公司以及日本等发达公司垄断。

       在国家自然科学基金委、科技部、广东省重点研发计划、中石化和北京交通大学的支持下，王熙教授课题组近5年来聚焦在“有效域”催化剂设计策设计低配位Pt基等高效团簇催化剂及其在燃料电池和低碳烷烃脱氢中的应用研究。在前期新型Pt等催化剂或新材料合成、机理方面取得了系列研究进展的基础上（ACS Catal. 2023, 13, 1630；J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 5930; Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 17712; Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 17712；ACS Catalysis 2022, 12, 9201; ACS Centr. Sci. 2022, 8, 905; Adv. Funct. Mater. 2022, 2212869; J. Am. Chem. Soc. 2021, 143: 17424；Adv. Energy Mater. 2021, 11, 2101789; CCS Chem. 2021, 3, 180; ACS Energy Lett. 2021, 6, 3503; Joule 2018, 2 (6), 1075; Energy Environ. Sci. 2017, 10, 979-986; Adv. Mater. 2017, 29, 1603692），为了进一步开发高效电催化剂，王熙教授团队通过空位锚定策略制备了Pt、Pd等系列单原子和双原子电催化（图1a-d），旨在回答：单原子和双原子电催化剂，哪个催化活性更佳。原位IR以及精细的XAFS分析表明双原子电催化剂可以提供双功能活性中心，将更加高效地促进电催化的进行。

       更重要的是，为了研发并应用高性能、低铂用量的催化剂，在国家科技重点研发计划“政府间国际科技创新合作”重点专项“高活性Pt基磁性纳米复合催化材料的研制、催化机理及燃料电池应用”（项目编号：2018YFE0124600）的资助下，王熙教授团队利用有效域策略设计了低配位且低铂载量的碳载催化剂，提出“电荷驱动铂分散批量生产”工艺技术路线，有效增加了铂组分的分散度。经第三方燃料电池性能测试平台评估，新型铂基催化剂的电化学活性面积达到99.88 m²/g，而英国Johnson Matthey公司的Pt/C催化剂的电化学活性面积为69.7 m²/g，即新型铂基催化剂铂组分分散度提升了43.3%，进而推动了质量比活性的提升（181.63 mA/mg）。团队申请和布局了一系列关于新型电催化剂的发明专利，并在此基础上提出“低铂载量CCM（catalyst coated membrane）膜电极”工艺路线，优化了其中的低铂超声喷涂工艺。经第三方燃料电池性能测试平台评估，该膜电极铂载量为0.35 mg/cm²，其在0.8 V的放电电压下的电流密度达到360 mA/cm²，在0.65 V的放电电压下的功率密度达到1073 mW/cm²，其性能超过了美国能源部燃料电池膜电极2020年技术指标（300 mA/cm² @0.8 V和1000 mW/cm² @0.65 V）。在此基础上，王熙教授及合作团队成功将该膜电极应用于无人机电堆（电堆功率：2 kW），并积极推进车用电堆的产业化应用。该项目成果目前在先进储能材料国家工程研究中心有限责任公司进行产业化推进（图2a-b）。相关科技成果转化被科技部《科技成果管理与研究》杂志进行专题报道。

       在Pt基等催化剂机理研究方面，团队联合北京光源，在基金委团簇重大专项培育项目及其他项目的支持下，成功研制实验室级XAFS设备，并开发了用于热催化、电催化、锂电池等相应的气相、液相等原位池，其具有高分辨、原位分析等特色。基于此原位XAFS设备，结合理论计算，团队对催化反应中的分子机制进行了深入的研究（图2c-e）。此外，在中石化和广东省重点研发项目（2000 万）的支持下，基于有效域设计的低配位Pt基团簇系列高效催化剂在低碳烃脱氢应用中也取得了初步成效：1）团队与中石化石科院一起优化了高纯度Al₂O₃载体的制备工艺，并在中石化长岭催化剂厂实现2000万吨/年国产化，有助于缓减该产品长期依赖进口的境况；2）团队联合中海油惠州炼化开发的具有自主知识产权的低配位团簇Pt@KL催化剂选择性超过85 %，技术指标与美国雪佛龙相当，开发的强化造粒放大工艺实现催化剂吨级合成，并进行200吨/年抽余油脱氢中试，经济效益可观。基于此，2021年，团队有效域设计相关成果入选《2021科学发展报告》第三章，作为 “2020年中国科研代表性成果” 进行了介绍。

图1制备的双原子、单原子电催化的结构表征

图2 a-b)低配位Pt基高效电催化剂膜电极的工艺开发、第三方认证报告，及无人机电堆设计;c-d)团队联合北京光源联合研制的实验室级原位XAFS设备及部分原位池。

       Angewandte Chemie International Edition创刊于1888年，是化学领域的权威期刊，由德国化学会和John Wiley & Sons, Inc.联合出版发行，报道化学学科原创性研究成果，最新影响因子为16.823。

论文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202216835