威斯尼斯人娱乐2299.官方进入

北京大学|设为首页|加入收藏

新闻聚焦

首页 > 正文

郭少军团队在工业级电解水制绿氢方面取得重要进展

发布者:  时间:2022-07-13 12:10:16  浏览:

能源是人类社会生存和发展的重要基础,伴随着化石燃料的日渐枯竭和环境问题的日益突出,发展环境友好型的可持续能源技术受到人们的广泛关注。氢能具有能量密度高、可循环利用和环境友好等优势,被认为是21世纪可再生能源利用中理想的能源载体之一。电解水制氢技术不仅能实现氢气从生产到利用的全程零碳排放,并且使用的电能可以从太阳能、风能等可再生能源发电中获取,有望同时解决环境污染和可再生能源发电利用率低等问题。寻找高效的电催化材料以降低电解水反应中阳极析氧反应(Oxygen evolution reaction, OER)和阴极析氢反应(Hydrogen evolution reaction, HER)的过电位,提高制氢效率同时降低成本,是推动电解水制氢技术应用的关键。

Pt基纳米材料是目前应用最广泛的电解水阴极HER电催化剂,然而由于其与氧中间体的结合能力过强,而且在强氧化环境中容易溶解,导致Pt基材料难以应用于阳极OER反应。团队前期研究工作表明,理性控制纳米材料的电子结构与调控原子位点的配位结构可显著提高电解水制氢的催化活性和稳定性(Adv. Mater. 2022, 2022, 2202943; Natl. Sci. Rev. 2021, 8, nwab019; J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 10822; Adv. Mater. 2021, 33, 2102576; Angew. Chem. 2021, 60, 8243 (VIP); Nat. Commun. 2019, 10, 5231; Adv. Mater. 2019, 31, 1805541; Adv. Mater. 2018, 30, 1706085; Adv. Mater. 2017, 29, 1703798; Adv. Mater. 2018, 30, 1707301; Nat. Commun. 2017, 8, 14580; Adv. Energy Mater. 2018, 8, 1801891; Adv. Energy Mater. 2020, 10,2003192; Adv. Energy Mater. 2020, 10, 1903120; ACS Cent. Sci. 2018, 4, 1244)。

基于前期工作基础,郭少军团队研发了一种新型具有独特Pt(OH)(O3)/Co(P)配位结构的Pt单原子催化材料(图1)。实验结果表明这种单原子材料能显著提高贵金属Pt的原子利用率,实现超高的质量活性和转化频率。在1.53 V(相比于可逆氢电极)电位下,其OER的质量活性高达69.5±10.3 A mg-1,转化频率达到35.1±5.1 s-1,较商业的Ir/C和Pt/C催化剂高出2-4个数量级,同时表现出优异的抗溶解特性。结合实验机理研究和密度泛函理论计算表明,单原子Pt位点的独特配位结构以及孤立的Pt与相邻Co原子之间的强电子耦合效应是其电催化活性和稳定性增强的主要根源。更重要的是,当使用这种双功能催化材料作为阳极和阴极(Pt担载量低至0.029 mg cm-2)组装阴离子交换膜电解池器件(anion-exchange-membrane water electrolyser, AEMWE)时,在1.8 V的低电压下能够实现1 A cm-2的工业级电流密度和超过100 小时的耐久性,并且在质量活性和贵金属利用效率方面,相比于商用Pt/C和Ir/C高出两个数量级(图2)。相关工作以“Anti-dissolution Pt single site with Pt(OH)(O3)/Co(P) coordination for efficient alkaline water splitting electrolyzer”为题发表在《自然-通讯》(Nature Communications)杂志上。文章链接:https://www.nature.com/articles/s41467-022-31406-0。

该工作对析氧反应电催化机理研究和新型高效电解池器件阳/阴极电催化材料的开发具有借鉴意义,为下一代高性能低成本电催化材料的理性设计提供了全新思路。

图1.材料的结构表征及电解水性能。(a)球差透射电子显微镜图片; (b) X射线吸收光谱及配位结构分析; (c) OER性能; (d) HER性能

图2. AEMWE性能。(a) H型电解池性能;(b)膜电极性能;(c)质量活性比较;(d)稳定性测试


郭少军教授为本论文的通讯作者,美国加州州立大学北岭分校理论学者Gang Lu教授为本论文的共同通讯作者。曾令有博士和内蒙古大学赵忠龙副研究员为论文的(共同)第一作者。本工作得到了国家自然科学基金、科学探索奖、中国石油天然气创新基金、中国博士后科学基金等项目的支持。