西安交大新研發(fā)，用于高性能電解水制氫催化劑
發(fā)布時(shí)間：2020-07-06 10:09:30
電解水被認(rèn)為是一種可持續(xù)的、極具發(fā)展前景的產(chǎn)H2策略。通常，電解水通過兩個(gè)半反應(yīng)進(jìn)行：析氧反應(yīng)（OER）和析氫反應(yīng)（HER）。實(shí)際應(yīng)用中HER和OER催化劑的有效耦合是非常必要的。盡管已報(bào)道了許多耦合催化劑，但仍有一些關(guān)鍵問題需要進(jìn)一步解決：1）陽極和陰極的催化劑通常在成分上存在很大差異，使制備過程復(fù)雜，且由于在電解水過程中可能發(fā)生催化劑溶解、再沉積反應(yīng)，會引起陰極和陽極催化劑相互干擾；2）大部分非貴金屬催化劑只能在堿性或中性電解液中使用，在酸性條件下則不穩(wěn)定，因此缺乏廣泛的溶劑適應(yīng)性。IrO2是少數(shù)能在酸性電解液中高效且穩(wěn)定的電解水催化劑，但由于其氫吸附自由能（ΔGH*）過大，幾乎不被用作析氫反應(yīng)，因此無法構(gòu)建基于IrO2全解水電解槽。
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針對上述問題，西安交通大學(xué)理學(xué)院楊生春團(tuán)隊(duì)提出通過循環(huán)伏安法（CV）調(diào)控金屬氧化物電子結(jié)構(gòu)使其適用于HER的新策略（J. Mater. Chem. A, 2020, 8, 2090），即通過電化學(xué)CV循環(huán)，使金屬氧化物中的金屬陽離子被（部分）還原，引起金屬位點(diǎn)上電子密度增大，形成氧空位，進(jìn)而優(yōu)化了析氫反應(yīng)的動力學(xué)過程，大大加速析氫反應(yīng)。同時(shí)，CV循環(huán)可使對電極上少量的的金屬Pt會發(fā)生溶解，并遷移沉積在金屬氧化物表面，這種微量Pt的沉積為活性物質(zhì)的吸附/解吸附提供了良好的界面，可極大地提高IrO2在酸性、中性、堿性電解液甚至天然海水中的HER催化性能，使構(gòu)建全I(xiàn)rO2基的電解池成為可能。這項(xiàng)工作表明原位電化學(xué)調(diào)控催化劑的表面電子結(jié)構(gòu)為高效且穩(wěn)定的電解水催化劑設(shè)計(jì)開辟了新途徑，為電解水制氫的工業(yè)化應(yīng)用提供了新策略。
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該工作以題目“Electrochemically Modifying the Electronic Structure of IrO2Nanoparticles for Overall Electrochemical Water Splitting with Extensive Adaptability”發(fā)表在《Advanced Energy Materials》（IF：24.884）上。本文的第一作者和通訊作者分別是理學(xué)院博士生李璐，和楊生春教授。西安交通大學(xué)是該論文第一署名單位，Thermo Fisher Scientific公司的楊光高級工程師完成了該論文的部分電鏡表征和高分辨能譜工作。
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該工作得到國家自然科學(xué)基金，國家自然科學(xué)基金-國家電網(wǎng)公司聯(lián)合重點(diǎn)項(xiàng)目，中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)和博士后基金，西安交通大學(xué)-全通新能源汽車聯(lián)合項(xiàng)目的支持。同時(shí)，該項(xiàng)研究中材料結(jié)構(gòu)的表征分析工作得到了西安交通大學(xué)大型儀器設(shè)備共享實(shí)驗(yàn)中心，賈春林科學(xué)家工作室以及理學(xué)院張曉晶、王力群工程師的支持。
針對上述問題，西安交通大學(xué)理學(xué)院楊生春團(tuán)隊(duì)提出通過循環(huán)伏安法（CV）調(diào)控金屬氧化物電子結(jié)構(gòu)使其適用于HER的新策略（J. Mater. Chem. A, 2020, 8, 2090），即通過電化學(xué)CV循環(huán)，使金屬氧化物中的金屬陽離子被（部分）還原，引起金屬位點(diǎn)上電子密度增大，形成氧空位，進(jìn)而優(yōu)化了析氫反應(yīng)的動力學(xué)過程，大大加速析氫反應(yīng)。同時(shí)，CV循環(huán)可使對電極上少量的的金屬Pt會發(fā)生溶解，并遷移沉積在金屬氧化物表面，這種微量Pt的沉積為活性物質(zhì)的吸附/解吸附提供了良好的界面，可極大地提高IrO2在酸性、中性、堿性電解液甚至天然海水中的HER催化性能，使構(gòu)建全I(xiàn)rO2基的電解池成為可能。這項(xiàng)工作表明原位電化學(xué)調(diào)控催化劑的表面電子結(jié)構(gòu)為高效且穩(wěn)定的電解水催化劑設(shè)計(jì)開辟了新途徑，為電解水制氫的工業(yè)化應(yīng)用提供了新策略。
該工作以題目“Electrochemically Modifying the Electronic Structure of IrO2Nanoparticles for Overall Electrochemical Water Splitting with Extensive Adaptability”發(fā)表在《Advanced Energy Materials》（IF：24.884）上。本文的第一作者和通訊作者分別是理學(xué)院博士生李璐，和楊生春教授。西安交通大學(xué)是該論文第一署名單位，Thermo Fisher Scientific公司的楊光高級工程師完成了該論文的部分電鏡表征和高分辨能譜工作。
該工作得到國家自然科學(xué)基金，國家自然科學(xué)基金-國家電網(wǎng)公司聯(lián)合重點(diǎn)項(xiàng)目，中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)和博士后基金，西安交通大學(xué)-全通新能源汽車聯(lián)合項(xiàng)目的支持。同時(shí)，該項(xiàng)研究中材料結(jié)構(gòu)的表征分析工作得到了西安交通大學(xué)大型儀器設(shè)備共享實(shí)驗(yàn)中心，賈春林科學(xué)家工作室以及理學(xué)院張曉晶、王力群工程師的支持。
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