利用廉價金屬製備高效、高穩定性的鹼性制氫電極

2021-01-09 澎湃新聞
利用廉價金屬製備高效、高穩定性的鹼性制氫電極

2021-01-08 22:24 來源：澎湃新聞·澎湃號·湃客

原創 Cell Press CellPress細胞科學 

物質科學 Physical science

鐵三角元素（包括鐵，鈷和鎳）在地球上含量豐富，並且它們具有相似的化學和物理性質。因此，它們作為催化劑，被廣泛應用在工業氫化反應和電解水制氫等過程中。例如，金屬鈷是費託反應（Fischer-Tropsch）合成長鏈碳氫化合物常用的催化劑。但是，鐵三角金屬基催化劑由於具有不同的晶體結構（hcp或fcc）和形貌以及對氫的強吸附能力，這就造成反應活性位不足和反應過程中活性位容易被中間產物所覆蓋，進而難以保證電解水制氫過程中所需的高活性和穩定性，嚴重限制了工業化應用。

近日，澳大利亞新南威爾斯大學趙川教授團隊與澳大利亞國立大學Sean Smith教授團隊合作在Cell Press細胞出版社旗下期刊Cell Reports Physical Science期刊上發表題為「Vanadium Oxide Clusters Decorated Metallic Cobalt Catalyst for Active Alkaline Hydrogen Evolution」的研究工作。該工作為開發廉價、活性高和穩定性好的非鉑基制氫電極走向實際提供了新思路。該文章第一作者為李義兵和譚歆，趙川教授為通訊作者。

在該研究工作中，作者利用釩氧化物團簇（VOx）作為調節劑，來調控hcp金屬Co催化劑的物理性質和電子結構，從而使所製備的Co(VOx)電極具有高效的鹼性制氫活性(HER)和穩定性。X射線晶體學研究證明：VOx團簇在電沉積過程中形成的無序非晶相，能夠有效地誘導形成高度無序晶體結構的和晶粒細化的hcp金屬Co(圖1)，這就為電解水制氫反應所需的充足反應活性位和加速HER反應提供了必要條件。

圖1. Co(VOx)制氫電極的製備過程以及結構、形貌圖。

電解水制氫性能測試表明：當VOx團簇的摻雜濃度為3%時，Co(VOx)電極表現出最佳的HER性能。比如：達到-100 mA cm-2的電流密度時，該電極僅需要175 mV的反應過電位（無iR補償條件下），這與純金屬Co所需的344 mV的較高過電位和性能持續衰減的現象截然不同（圖2A，B）。系統的X射線吸收光譜(XAS)和原位拉曼光譜研究表明：VOx團簇摻雜可以有效的調控金屬Co的晶格缺陷濃度和氧化程度（圖2C），而在HER反應過程中這些氧化的金屬Co又很容易被還原成金屬態，從而使Co-O-V作為真正的反應活性位（圖2D）。密度泛函理論(DFT)計算表明，VOx團簇能夠有效地將電子從Co轉移到VOx（圖2E），這就降低了H*在V-Co(001)上的吸附能。進一步的實驗和理論計算表明：較低或較高濃度的VOx團簇摻雜要麼無法充分調節金屬Co的形貌結構和降低Co-H*的結合能，要麼提供較少的反應活性位，降低制氫性能（圖2F）。

本研究為利用廉價金屬製備高效、高穩定性的鹼性制氫電極提供了可能。

圖2. （A，B）Co(VOx)電極的HER性能; （C）XAS和（D）原位拉曼光譜圖；（E，F）DFT理論計算結果。

相關論文信息

論文原文刊載於CellPress細胞出版社旗下期刊Cell Reports Physical Science上，點擊「閱讀原文」查看論文

▌論文標題：

Vanadium Oxide Clusters Decorated Metallic Cobalt Catalyst for Active Alkaline Hydrogen Evolution

▌論文網址：

https://www.cell.com/cell-reports-physical-science/fulltext/S2666-3864(20)30297-6

▌DOI：

https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2020.100275

閱讀原文

關鍵詞 >> 湃客

特別聲明

本文為澎湃號作者或機構在澎湃新聞上傳並發布，僅代表該作者或機構觀點，不代表澎湃新聞的觀點或立場，澎湃新聞僅提供信息發布平臺。申請澎湃號請用電腦訪問http://renzheng.thepaper.cn。

相關推薦

評論（）

相關焦點

  • 中國科學技術大學實現高效鹼性電解水制氫
    中國科學技術大學實現高效鹼性電解水制氫 2018-07-24 09:36:00來源：中安在線
  • 【中安在線】中國科大成功製備釕單原子合金催化劑 廉價高效電解水...
    中安在線、中安新聞客戶端訊近日，記者從中國科學技術大學獲悉，該校吳宇恩教授課題組運用創新工藝，在氧析出催化劑取得重大突破，為電解水制氫的工業化推進重要一步。「終極能源」氫能市場化的關鍵一環是氫氣高效廉價的製取。其中，電解水是最被看好的製備方式之一。
  • 廉價高效電解水制氫氧析出催化劑獲重大突破
    「終極能源」氫能市場化的關鍵一環是氫氣高效廉價的製取。其中，電解水是最被看好的製備方式之一。然而，電解水過程中必需的高效廉價的氧氣析出催化劑是當前面臨的最困難挑戰之一，與「非鉑氧還原催化劑的開發」並稱為氫能高效利用領域的兩大聖杯。氧析出常用的商用催化劑是二氧化銥。
  • 高效電解水制氫電極材料的「化學嫁接」獲得成功
    近日，中國科學技術大學俞書宏教授研究組發展了一步法合成技術，成功實現了二硒化鈷和二硫化鉬材料的「化學嫁接」，研製了具有析氫性能接近貴金屬鉑的水還原高效複合催化劑。 近年來，該研究組圍繞新型非貴金屬氫電極材料和氧電極材料的設計，在電解水用新型非貴金屬電極材料的設計和製備技術方面上取得一系列進展。
  • 新方法通過微納結構化電極電解海水制氫
    近日，北京化工大學、美國史丹福大學等合作在美國《國家科學院院刊》上發表題為「太陽能驅動的、持續穩定的海水分解制氫」的研究論文，展示了一種通過微納結構化電極電解海水制氫的新方法，並且在工業電解電流密度下具有長達上千小時的穩定性。 「這種新型電催化劑不僅解決了海水電解制氫的工程化問題，也提示了未來從海水中同時製備氫氣、氧氣、鹽的可能性。」
  • 電解水制氫有了長壽命廉價催化劑
    （觀察者網訊）觀察者網4月2日從中國科學院大連化學物理研究所獲悉，近日，該所催化基礎國家重點實驗室、太陽能研究部韓洪憲研究員和李燦院士團隊與日本理化學研究所（RIKEN）Ryuhei Nakamura教授研究團隊合作，在酸性條件下非貴金屬電催化分解水研究方面取得新進展，相關研究成果發表在
  • 《美國化學會志》:新型鎳基催化劑誕生可通過電解水高效生產氫燃料
    最近，POSTECH的一組研究人員提出了一種利用廉價且容易獲得的鎳作為電催化劑，通過電解水高效生產氫燃料的方法，開啟了氫經濟時代。他們共同開發出一種高效的鎳基催化劑體系，其中摻雜了oxophilic過渡金屬原子。研究人員表示，已經確定了催化吸附性能之間的相關性和氫進化(她)的反應動力學鹼性介質。近期，這些研究結果被頂級期刊《美國化學會志》(Journal of the American Chemical Society， JACS)的封面文章所收錄。
  • 大連理工：功能材料助力高效儲能及海水電解高效制氫系列進展
    邱介山教授領導的能源材料化工創新團隊多年來一直致力於碳基功能材料的可控制備與功能的精細調變方法，從分子-微觀-介觀多尺度層面，有機融合物理外場/點擊化學和化學工藝過程的創新，提出了「多維碳材料工程」的新概念和技術策略，取得了系列原創性的成果。最近，在功能碳材料助力小分子高效轉化/精細化學品合成及海水電解高效制氫等方面取得了新的重要進展。
  • 我國學者研製出高性能低成本的電解「水制氫」催化劑
    新華社合肥12月9日電(記者徐海濤)氫能是一種能量高、潔淨的可再生能源，通過電化學水解製備氫氣是當前的研究熱點之一。近期，中國科學技術大學俞書宏教授團隊和高敏銳教授團隊合作，研製出一種高性能低成本的新型三元納米片電催化劑，展現出工業級的優異電解水制氫潛能。國際學術期刊《德國應用化學》日前發表了該研究成果。
  • 高效水煤氣變換制氫研究獲突破
    大幅提升催化劑反應活性和長效穩定性2月20日，從北京大學化學與分子工程學院傳出消息，該院馬丁教授與大連理工大學石川教授、中科院山西煤化所溫曉東研究員課題組合作，研發出高效水煤氣變換制氫催化劑，大幅提升了催化劑的反應活性及長效穩定性，在催化制氫領域取得突破性進展。
  • 用紙做成的電極讓微生物燃料電池更廉價高效
    美國研究人員近日在《美國化學學會・能源通訊》雜誌上報告說，他們開發出一種新技術，可用紙製造微生物燃料電池的電極，與過去的方法相比這能讓微生物燃料電池更為廉價和高效。微生物燃料電池是一種利用微生物來產生電能的裝置，一個重要應用場景是廢水處理，微生物在去除水中汙染物的同時，還能產生電能。　　但目前所用的微生物燃料電池的電極通常是由金屬或碳氈製成，都有一些不足之處，如金屬成本高且容易被腐蝕，由碳纖維製成的碳氈雖然便宜一些，但其中的孔隙容易被阻塞。
  • 化學所開發出新型高效電解水催化劑
    、清潔、高效的制氫技術是氫能有效利用的關鍵。因此，發展廉價、易製備的高效電解水催化劑備受關注。 　　氫能是一種理想的能源載體，開發大規模、廉價、清潔、高效的制氫技術是氫能有效利用的關鍵。電解水由於環境友好、產品純度高以及無碳排放而成為具有應用前景的綠色制氫方法之一。限制電解水制氫大規模應用的最重要瓶頸是如何大幅降低其電能消耗，因而大幅降低制氫成本。
  • 青島科大《Nanoscale》:為電解水制氫、汙水處理提供新思路
    導讀：本文製備得到了原位生長在鈦網上的具有高氧化態的多孔自交聯CoS2材料（P-CoS2/Ti），其在鹼性條件下具有優異的析氫（HER）以及尿素氧化（UOR）催化性能，這為電解水制氫以及汙水處理提供了新思路。
  • 清華報導基於鎳-鐵納米線陣列的超高活性且無粘結劑的OER電極
    在實現廉價電解水制氫的商業應用上，該成果向前跨出了重要的一步。氫氣作為理想的清潔能源，受到了越來越廣泛的關注，同時，關於氫氣研究也更為深入。生產氫氣是作為氫能源利用的第一步。電解水制氫技術具有可分布式的特點，同時在生產過程中不產生溫室氣體等汙染物，更加清潔環保，因此對未來氫能源的商業利用意義重大。目前，基於質子交換膜的電解水技術已小規模商業應用。
  • 電解水制氫產業成熟、安全可靠
    目前，氫氣製備方法主要有：熱化學法制氫(如煤制氫和天然氣重整制氫等)、工業副產氫提純制氫、水電解制氫和太陽能光催化分解水制氫等。水電解制氫技術已有一個多世紀歷史，目前有鹼性水電解制氫、質子交換膜水電解制氫和固體氧化物水電解制氫。鹼性水電解制氫最為成熟，目前應用最為廣泛。
  • 用紙做成的電極讓微生物燃料電池更廉價高效-新華網
    新華社華盛頓２月６日電　美國研究人員近日在《美國化學學會·能源通訊》雜誌上報告說，他們開發出一種新技術，可用紙製造微生物燃料電池的電極，與過去的方法相比這能讓微生物燃料電池更為廉價和高效。　　微生物燃料電池是一種利用微生物來產生電能的裝置，一個重要應用場景是廢水處理，微生物在去除水中汙染物的同時，還能產生電能。但目前所用的微生物燃料電池的電極通常是由金屬或碳氈製成，都有一些不足之處，如金屬成本高且容易被腐蝕，由碳纖維製成的碳氈雖然便宜一些，但其中的孔隙容易被阻塞。　　美國羅切斯特大學的研究人員報告說，可以用紙和碳膏來取代碳氈。
  • 澳發明高效電解水制氫技術
    新華網雪梨３月２０日電（萬思琦）澳大利亞新南威爾斯大學日前發布報告稱，該大學研究人員發明了一種新型電極，可以低成本、高效率地電解水，有望用於大規模生產清潔燃料——氫氣。    該技術採用了一種價格低廉、有特殊塗層的泡沫狀多孔材料，能使電解水產生的氧氣氣泡快速逸散，從而促進更有效地製取和收集氫氣。相關論文發表在近期出版的英國《自然通訊》雜誌上。
  • 海水制氫:重啟藍色能源的傳說—新聞—科學網
    近日，北京化工大學、美國史丹福大學等合作在美國《國家科學院院刊》上發表題為「太陽能驅動的、持續穩定的海水分解制氫」的研究論文，展示了一種通過微納結構化電極電解海水制氫的新方法，並且在工業電解電流密度下具有長達上千小時的穩定性。 「這種新型電催化劑不僅解決了海水電解制氫的工程化問題，也提示了未來從海水中同時製備氫氣、氧氣、鹽的可能性。」
  • 關注氫能安全│電解水制氫產業成熟,安全可靠!
    最近,氫能安全與海珀爾制氫企業成為了海內外關注的焦點。　　氫能以其清潔、高效的特點被公認為未來最有潛力的能源載體，然而其安全性常常受到人們質疑。那麼，我們真的應該談「氫」色變嗎?　　氫氣製備法與水電解制氫　　目前，氫氣製備方法主要有：熱化學法制氫如煤制氫和天然氣重整制氫等、工業副產氫提純制氫、水電解制氫、太陽能光催化分解水制氫。
  • 「原位合成」製備雙金屬碳化物基自支撐、柔性催化劑用於析氫反應
    在許多制氫方法中，由水分解制氫（HER）是未來開發氫能的一種有前景的方法。目前，HER最先進電催化劑仍是基於Pt，但是由於Pt高昂成本和有限的儲量，電解水的商業應用受到了限制。因此開發具有高活性的非貴金屬HER電催化劑對未來的能源需求具有重要的意義。