“铂用量降至十分之一”……首尔大学·斯坦福开发下一代制氢催化剂[读懂科学]

by Kim Jonghwa

Published 29 May.2026 03:00(KST)

通过精确控制原子数量同时提升制氢效率和耐久性
“外观看着大小相同性能却不同”……揭示原子个数的秘密
刊登于《Science》：“可实现数十克级生产产业化可期”

首尔大学与美国斯坦福大学联合研究团队开发出一项下一代催化技术，在将铂用量降至现有水平约十分之一的同时，同时提升了制氢效率和催化剂耐久性。研究团队尤其首次在全球范围内揭示，决定性能的并非催化剂颗粒的“尺寸”，而是其实际构成的原子数量。

科学技术信息通信部29日表示，参与“顶级研究机构间合作平台构建及联合研究支援项目（顶级项目）”的首尔大学–斯坦福大学国际联合研究团队，开发出了实现世界最高水平制氢性能和催化寿命的铂簇状催化剂技术。

均一簇的选择性形成示意图及各形成阶段的电子显微镜观测结果。研究团队利用以甲醇为基础的还原工艺去除铂原子周围的配体，引导铂原子直接与催化剂载体结合。随后经过空气焙烧和氢气还原过程，形成了与载体强烈结合的均一铂簇。电子显微镜分析结果显示，即使簇的尺寸相近，其实际构成的原子数也彼此不同。研究团队供图

本次研究由首尔大学化学生物工程系Park Jeongwon教授研究团队与美国斯坦福大学化学工程系Thomas F. Jaramillo、Mateo Cargnello教授研究团队共同完成。

研究结果于29日刊登在国际学术期刊《Science》上。

氢作为碳中和时代的核心清洁能源备受瞩目，但在以液态有机储氢体（LOHC）为基础的氢储存和运输技术中，高价贵金属催化剂仍是不可或缺的，这一直是其局限所在。尤其是在再次提取氢气的过程中，需要大量铂催化剂，经济性问题屡遭指责。

“原子个数左右性能”……精密调控铂簇

联合研究团队引入了一种新型合成策略，去除铂原子周围的化学物质（配体），并诱导铂原子直接与催化剂载体结合。

通过这一策略，研究团队实现了尺寸约为1纳米（㎚）的均一铂原子团簇催化剂，其尺度约为头发丝粗细的十万分之一。

相似尺寸簇的原子数级别分析方法与簇催化剂分析。通过基于电子显微镜的分析方法，对铂簇进行原子数级别的精密分析后发现，即便是尺寸约为1纳米的相似簇结构，其实际构成原子数也会因金属浓度不同而在13至31个之间变化。研究团队供图

该催化剂在最大化铂原子利用效率的同时，又牢固固定在载体上，表现出极高的耐久性。

研究团队尤其通过新开发的电子显微镜分析方法，首次在全球范围内确认到，即便是外观看上去尺寸相近的铂簇，其实际构成的原子数也可能在13个到31个之间变化。

以往人们认为，尺寸相近的催化剂颗粒会表现出相同性能，而本研究则证明，“原子个数”本身就是决定制氢性能和耐久性的关键变量。

首尔大学研究团队负责催化剂制备、结构分析和性能验证，斯坦福大学研究团队则负责原子尺度反应机理与吸附特性计算，将实验与基于计算的解析相结合。

“可实现数十克级生产”……有望推动氢经济商业化

将研究团队开发的催化剂应用于实际制氢反应后发现，与现有商用催化剂相比，铂用量虽降至约十分之一，但制氢量和催化剂寿命反而大幅提升。

液态有机氢载体脱氢制氢性能比较。以液态有机氢载体（LOHC）甲基环己烷为基础进行制氢实验的结果表明，原子数越少的铂簇，其单位铂原子的催化性能越高，但稳定性呈下降趋势。相反，研究团队开发的0.5wt% Pt/Al₂O₃簇状催化剂，在将铂用量降至传统商用催化剂约十分之一的同时，实现了更高的制氢活性和耐久性。研究团队供图

研究团队还认为，本次合成方法在实验室规模内即可通过单一工艺实现数十克（g）级产量，未来进一步扩大到大规模生产也不会受到重大限制。

首尔大学化学生物工程系教授Park Jeongwon表示：“本研究的成果不仅仅是对催化剂尺寸的简单优化，而是通过在原子数层面的精密结构调控，将制氢性能最大化”，“有望作为引领氢经济的核心催化平台技术加以应用。”