化學所開發出新型高效電解水催化劑

2020-11-27 中國科學院

化學所開發出新型高效電解水催化劑

2017-07-17 化學研究所

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　　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。其關鍵是如何有效降低電極上析氧反應(OER)和析氫反應(HER)的過電位，實現在低槽壓下的大電流產氫。因此，發展廉價、易製備的高效電解水催化劑備受關注。

　　在國家自然科學基金委、科技部和中國科學院戰略性先導科技專項的支持下，中科院化學研究所分子納米結構與納米技術重點實驗室研究員胡勁松課題組科研人員在氫能的清潔獲取與應用研究方面開展了系列研究（ACS Nano 2016, 10, 851; Nano Energy 2016, 28, 319; Adv. Sci. 2017, 4, 1700084; J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 3570）。最近，他們針對電解水過程中陽極析氧反應比動力學緩慢、過電位高的問題，研究發現通過對原本活性不高但製備過程環境友好的析氧催化劑進行微觀形貌以及電子結構的調控，可以大幅提升其電催化析氧活性與穩定性，為拓展電解水電極材料的選擇提供了另一種途徑。他們研究發現硼酸鎳(II)(Ni3(BO3)2)納米催化劑的電催化析氧性能與其結晶度密切相關，並通過調控其結晶度，首次獲得了OER性能優異的新型硼酸鎳(II)析氧電催化劑(圖1)。這一通過調控電催化劑結晶程度來精細調控電催化劑性能的研究結果為開發新型低成本、高效電催化劑提供了嶄新的思路。相關研究結果於近期發表在Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 6572上，並被《物理化學學報》以highlight形式報導。

　　此外，鹼式碳酸鹽製備方法簡單、經濟、環保，但其電催化分解水的性能不佳。科研人員近日研究發現通過向鹼式碳酸鈷中引入錳，實現對其微觀形貌和電子結構的雙重調控，可以大幅度提升其電催化分解水性能，使原本沒有應用前景的鹼式碳酸鹽類材料成為可與最近報導的高性能硫化物、磷化物等媲美的、可在大電流下工作的新型雙功能全水分解電催化劑(圖2)。這一研究不僅拓寬了低成本高效電解水催化劑的選擇範圍，而且有助於理解催化劑的構效關係，為開發新型、環境友好、可實際工作的高效低成本電催化劑提供了新的思路。相關研究結果發表在J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 8320上。

　　圖1 (a-b) 部分結晶的Ni3(BO3)2包覆Ni3B納米顆粒(pc-Ni-Bi@NB)的TEM照片；(c) pc-Ni-Bi@NB與文獻報導催化劑的OER活性比較圖；(d-e) 不同結晶度Ni3(BO3)2包覆Ni3B的電催化析氧TOF曲線及在過電位300 mV處的TOF值(1：非晶；2-5：結晶程度依次增加)。

　　圖2 (a) 錳摻雜鹼式碳酸鈷(CoxMnyCH)納米片陣列電解水催化劑的示意圖；(b) CoxMnyCH催化劑的電化學活性面積與Co/Mn比例的關係圖；(c) CoxMnyCH催化劑的析氧極化曲線；(d) CoxMnyCH催化劑的析氫極化曲線。

　　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。其關鍵是如何有效降低電極上析氧反應(OER)和析氫反應(HER)的過電位，實現在低槽壓下的大電流產氫。因此，發展廉價、易製備的高效電解水催化劑備受關注。
　　在國家自然科學基金委、科技部和中國科學院戰略性先導科技專項的支持下，中科院化學研究所分子納米結構與納米技術重點實驗室研究員胡勁松課題組科研人員在氫能的清潔獲取與應用研究方面開展了系列研究（ACS Nano 2016, 10, 851; Nano Energy 2016, 28, 319; Adv. Sci. 2017, 4, 1700084; J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 3570）。最近，他們針對電解水過程中陽極析氧反應比動力學緩慢、過電位高的問題，研究發現通過對原本活性不高但製備過程環境友好的析氧催化劑進行微觀形貌以及電子結構的調控，可以大幅提升其電催化析氧活性與穩定性，為拓展電解水電極材料的選擇提供了另一種途徑。他們研究發現硼酸鎳(II)(Ni3(BO3)2)納米催化劑的電催化析氧性能與其結晶度密切相關，並通過調控其結晶度，首次獲得了OER性能優異的新型硼酸鎳(II)析氧電催化劑(圖1)。這一通過調控電催化劑結晶程度來精細調控電催化劑性能的研究結果為開發新型低成本、高效電催化劑提供了嶄新的思路。相關研究結果於近期發表在Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 6572上，並被《物理化學學報》以highlight形式報導。
　　此外，鹼式碳酸鹽製備方法簡單、經濟、環保，但其電催化分解水的性能不佳。科研人員近日研究發現通過向鹼式碳酸鈷中引入錳，實現對其微觀形貌和電子結構的雙重調控，可以大幅度提升其電催化分解水性能，使原本沒有應用前景的鹼式碳酸鹽類材料成為可與最近報導的高性能硫化物、磷化物等媲美的、可在大電流下工作的新型雙功能全水分解電催化劑(圖2)。這一研究不僅拓寬了低成本高效電解水催化劑的選擇範圍，而且有助於理解催化劑的構效關係，為開發新型、環境友好、可實際工作的高效低成本電催化劑提供了新的思路。相關研究結果發表在J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 8320上。

　　圖1 (a-b) 部分結晶的Ni3(BO3)2包覆Ni3B納米顆粒(pc-Ni-Bi@NB)的TEM照片；(c) pc-Ni-Bi@NB與文獻報導催化劑的OER活性比較圖；(d-e) 不同結晶度Ni3(BO3)2包覆Ni3B的電催化析氧TOF曲線及在過電位300 mV處的TOF值(1：非晶；2-5：結晶程度依次增加)。

　　圖2 (a) 錳摻雜鹼式碳酸鈷(CoxMnyCH)納米片陣列電解水催化劑的示意圖；(b) CoxMnyCH催化劑的電化學活性面積與Co/Mn比例的關係圖；(c) CoxMnyCH催化劑的析氧極化曲線；(d) CoxMnyCH催化劑的析氫極化曲線。

列印 責任編輯：葉瑞優

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