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水分解电催化剂结构设计与机理研究获系列进展

2020-06-02 上海硅酸盐研究所
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  氢气是一种高效、清洁的燃料,电解水析氢是一种理想制氢方式。析氢反应(HER)和析氧反应(OER)动力学缓慢,需要较高的过电位驱动反应的正常进行,导致了较低的能量转换效率。因此,需要开发高活性、低成本催化剂以大幅降低其电能消耗,减少贵金属催化剂的使用,有效降低制氢成本。目前研究的方向主要集中在:构筑具有三维(3D)结构的催化剂以增加活性位点密度;研究反应中间体在催化剂表面的吸附行为,从而有目的地设计高活性位点催化剂。

  最近,中国科学院上海硅酸盐研究所联合北京工业大学和中国科学院宁波材料技术与工程研究所相关团队集中优势、协同攻关,在电解水催化剂的结构设计和机理研究方面取得系列进展,相关研究发表在Adv. Energy Mater., J. Mater. Chem. A, J. Phys. Chem. Lett., ChemSusChem 等国际期刊上。

  上海硅酸盐所研究员王家成带领的电催化材料与能源器件团队利用3D高导电泡沫铜为基底,生长了钙钛矿SnFeNi氧化物并将其活化,开发出A-SnFeNi和低Pt负载的Pt-SnFeNi催化剂分别用于氧析出和氢析出催化剂。该类催化剂中多孔泡沫金属利于气体分子的扩散和释放,并促进催化剂/载体界面的电荷转移,表现出高效的催化活性和稳定性。相关工作以In Situ Growth of Free-standing Perovskite Hydroxide Electrocatalysts for Efficient Overall Water Splitting 为题发表在英国化学会期刊J. Mater. Chem. A2020, 8, 5919-5926上,并入选Hot Paper。该团队进一步以高导电3D Ag纳米线网络为基底,制备了一种复合网络型HER催化剂(Ru/AgCl@Ag)。经实验与计算模拟相结合发现AgCl中氯的高电负性促进了水分子吸附和解离,而来自Rud带电子协同调节表面的氢吸附/解吸能。相关研究成果以Geometric Structure and Electronic Polarization Synergistically Boost Hydrogen-Evolution Kinetics in Alkaline Medium 为题发表在美国化学会期刊J. Phys. Chem. Lett.2020, DOI: 10.1021/acs.jpclett.0c00703)。以上两项工作的第一作者均为上海硅酸盐所与北京工业大学联合培养博士生李善霖,上海硅酸盐所副研究员马汝广、研究员王家成和北京工业大学研究员刘丹敏为共同通讯作者。

  该团队还采用可控低温氧化法制备出了钌镍金属/氧化物纳米异质结双功能催化剂,表现出优异的析氢和析氧活性。DFT计算结果表明异质结的存在能增强水的吸附,镍的掺杂可以显著降低水裂解的势垒。利用该催化剂组装的电解水器件的过电压仅190 mV@ 10 mA/cm2)。该工作以Nano-Heterostructures of Partially Oxidized RuNi Alloy as Bi-Functional Electrocatalysts for Overall Water Splitting 为题发表于Wiley期刊ChemSusChem2020, DOI: 10.1002/cssc.202000213)。上海硅酸盐所博士生林高鑫和硕士生王远东为文章共同第一作者,研究员王家成和黄富强为共同通讯作者。上海硅酸盐所计算中心研究员孙宜阳为该论文提供了理论计算支持。

  Ru具有出色的水离解能力,然而,Ru表面氢结合能很大,限制了HER活性。该团队将Ru纳米颗粒负载在三嗪环(C3N3)掺杂的碳(triNC)上来调控其氢吸附能。三嗪环掺杂到碳基体中(triNC)会改变费米能级的位置和碳载体的功函数,从而使triNC成为比氮掺杂碳(NC)和纯C更好的电子受体。在HER中,从Ru转移到碳载体上的电子会减弱氢的吸附强度并加速氢的脱附。密度泛函理论(DFT)计算证明了上述载体的调控机制。相关研究成果以Ruthenium Triazine Composite: A Good Match for Increasing Hydrogen Evolution Activity through Contact Electrification 为题发表在Wiley期刊Adv. Energy Mater.2020, DOI: 110.1002/aenm.202000067)。该文第一作者为上海硅酸盐所硕士生鞠强健,共同通讯作者为马汝广、王家成和宁波材料所研究员杨明辉

  电催化材料与能源器件团队2015年初即开展分解水制氢的研究工作,前期已取得系列研究结果。通过理论和实验相结合,设计/制备出高稳定的少层石墨层包覆的纳米Mo2CW2C析氢催化材料(Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 54, 14723; J. Mater. Chem. A, 2016, 4, 8204);Co, N共掺的WC/Co/NCNTs混杂材料(Energy Storage Mater., 2017, 6, 104);利用衬底效应设计/制备出超低Pt负载(~0.74 wt.%)的HER催化剂(Mater. Today Energy, 2017, 6, 173);发现单层ReS2材料中HER自优化催化机制(ACS Nano, 2018, 12, 4486)。

  上述研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中科院、上海市科委等的资助。

  文章链接:1 2 3 4

泡沫铜上原位生长钙钛矿氢氧化物用于高效水分解J. Mater. Chem. A, 2020, 8, 5919-5926

几何结构和电子极化协同促进碱性介质中氢的演化动力学(J. Phys. Chem. Lett., 2020, DOI: 10.1021/acs.jpclett.0c00703

钌镍金属/氧化物异质结双功能催化剂(ChemSusChem, 2020, DOI: 10.1002/cssc.202000213

三嗪环掺杂碳材料结构示意及碳载体与Ru金属接触电效应示意图(Adv. Energy Mater., 2020, DOI: 110.1002/aenm.202000067

打印 责任编辑:叶瑞优

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