氢是一种化学元素，已被广泛推荐作为零碳排放的替代燃料。然而，大多数商业氢燃料生产是通过对化石燃料进行精炼来实现的。
由于化石燃料储量有限及其对周围环境的负面影响，研究人员一直致力于开发替代技术。该技术将有助于通过环保工艺生产氢燃料。
电解水是自然界中充足的水，是一种利用可再生能源电力生产所谓“绿色氢”的方法。但是，由于析氧反应 (OER) 缓慢，需要 1.23 V 的高热力学电压，因此电解水的效率受到很大限制。
为了储存能量以产生氢气，由于尿素电解的热力学有利(0.37 V，热力学电压)条件，用尿素氧化反应(UOR)代替缓慢的水电解提供了很大的希望。减少尿素污染问题还有一个额外的好处，每年有近 22,000 亿吨富含尿素的废水排放到河流中。
基于贵金属的催化剂，如铑 (Rh) 和铂 (Pt)，用于提高氧化过程的速率。但是这种贵金属催化剂非常昂贵，并且在长期运行下表现不佳。
近年来，单原子催化剂(SAC)比基于纳米材料的催化剂表现出卓越的性能。但是，由于表面原子易于迁移，SAC 的低金属负载量 (<3 wt%) 成为可扩展应用的主要问题。
在成均馆大学基础科学研究所(IBS)综合纳米结构物理中心副主任 Hyoyoung Lee 的指导下，IBS 的研究小组提出了实现单金属原子位点超高负载的策略.这是通过在载体材料上引发表面应变来实现的，从而能够产生显着的尿素氧化辅助氢燃料。
我们使用液氮淬火方法在氧化钴 (Co3O4)表面产生拉伸应变。由于热膨胀，超高冷却速率扩大了淬火样品的晶格参数，从而在氧化物表面产生拉伸应变。
Ashwani Kumar，基础科学研究所综合纳米结构物理中心研究第一作者和博士候选人
“与原始 Co3O4表面相比，Co3O4的应变表面稳定了约 200% 的铑单原子负载(RhSA;6.6 wt% 的整体负载和 11.6 wt% 的表面负载)位点。我们发现，与原始表面相比，应变表面可以显着增加 RhSA 的迁移能垒，从而抑制它们的迁移和团聚，”Kumar 补充道。
我们非常兴奋地发现稳定在应变 Co3O4表面上的高负载 RhSA在碱性和酸性介质中表现出卓越的 UOR 活性和稳定性，这远优于商业 Pt/C 和 Rh/C。在我们的发现之前，这种 SAC 领域的表面应变策略从未被报道过。
Hyoyoung Lee，基础科学研究所综合纳米结构物理中心研究通讯作者兼副主任
此外，科学家们发现，这种高负载单原子位点的计划不仅限于铑。在应变表面策略的帮助下，其他贵金属(如铱、铂和钌)的超高负载量得以稳定。这为更广泛地应用这一突破提供了基础。
课题组利用这种新型催化剂对尿素氧化所需的催化效率和工作电压进行了评估。与可逆氢电极 (RHE) 相比，最新的催化剂 (RhSAo n 应变 Co3O4) 仅需要 1.28 V 电压即可实现每 cm2电极10 mA(毫安)的电流密度，这与商业催化剂相比较低Rh 和 Pt 催化剂分别需要 1.34 和 1.45 V。
此外，催化剂还表现出100小时的长期稳定性而没有任何结构变化。该小组利用密度泛函理论模拟来研究新催化剂卓越性能的起源。据披露，这是由于尿素吸附和 CO/NH 中间体的稳定作用的结果。此外，尿素电解比水电解产生氢气节省了大约 16.1% 的能量。
这项研究为稳定可扩展应用程序的单原子站点的高负载提供了一般策略，这是 SAC 领域的一个长期存在的问题。此外，这项研究使我们更接近无碳节能的氢经济。
Hyoyoung Lee，基础科学研究所综合纳米结构物理中心研究通讯作者兼副主任
“这种高效的尿素氧化电催化剂将帮助我们克服化石燃料精炼过程的长期挑战：以低价和环保的方式生产用于商业应用的高纯度氢气，”Lee 补充道。
