哈工大《Angew》：電解水制氫領域取得重要進展

2020-10-10 材料material

近日，哈爾濱工業大學特種化學電源研究所團隊在單原子Pt電解水制氫領域取得重要進展，實現了利用醯胺基團(N-C=O)的供電子效應來調節單個原子Pt的電子結構的策略，並表現出優越的電解水制氫性能。研究成果以「Polyvinylpyrrolidone-Coordinated Single-site Platinum Catalyst Exhibits High Activity for Hydrogen Evolution Reaction.（聚乙烯吡咯烷酮協同單原子位點Pt催化劑具有較高的析氫活性）」為題發表在國際化學頂級期刊《Angewandte Chemie International Edition》（影響因子12.959），並被選為「Hot Paper」。高雲智教授為文章第一通訊作者，博士生李燦為第一作者，本工作由國家自然科學基金重點項目(Grant No. 21433003)支持。


論文連結:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/anie.202005282


單原子催化劑（SACs）因其極高的原子利用效率和無與倫比的卓越催化性能，近年來在多相催化領域越來越受到廣泛關注，尤其在貴金屬單原子催化劑領域，其突出的催化活性可以彌補它們在稀有量和高成本的短板，從而實現大規模商業化應用。目前，原子級分布的鉑原子已經成功地錨定在各種載體材料上，在各種催化反應中表現出了優越的催化性能。SACs中金屬原子與周圍配位環境的相互作用一直被認為是調節單位點催化活性的一個重要參數，但是，這一問題在很大程度上仍然是未知的，通常也沒有很好的研究方法，特別是對於通過熱解方法製備的SACs。


圖1 光化學還原構建PVP配位Pt單原子活性中心的形成機理示意圖


圖2 N·K-edge-XANES光譜數據和理論計算（DFT）模型印證醯胺基團(N-C=O)的供電子效應對單個原子Pt電子結構的調控


在本工作中，團隊採用了一種常溫下可控的光化學方法製備Pt SACs。該策略實現了利用有機穩定劑聚乙烯吡咯烷酮（PVP）調控單原子Pt的電子結構，研究發現用含有醯胺基N-C=O基團的不僅是維持Pt原子分布的配位環境，而且對Pt SACs電子結構產生供電子效應。理論計算（DFT）和同步輻射光譜數據（N K-edge XANES spectra）均表明：帶部分正電荷的Pt原子與PVP分子的醯胺基團（N-C=O）配位結構是電解水制氫反應（HER）的活性中心。在電化學性能測試中，製備的Pt SACs催化劑呈現出優秀的HER活性和穩定性。


該方法開拓了一個普適性兼高價值的研究視角：通過精心挑選出基於電子結構的配位結構的貴金屬和配位基團來設計貴金屬(如Au, Pd, Ru, Ag等)單原子催化劑，以此來提升各種化學反應的催化性能。


本文來自「哈爾濱工業大學」。

相關焦點

  • 哈工大在單原子Pt電解水制氫領域取得重要進展
    近日，哈爾濱工業大學特種化學電源研究所團隊在單原子Pt電解水制氫領域取得重要進展，實現了利用醯胺基團(N-C=O)的供電子效應來調節單個原子Pt的電子結構的策略，並表現出優越的電解水制氫性能。，尤其在貴金屬單原子催化劑領域，其突出的催化活性可以彌補它們在稀有量和高成本的短板，從而實現大規模商業化應用。
  • 水分解制氫研究取得重要進展
    據新華社電  作為一種重要的可持續新能源技術，開發高效、廉價的水分解電催化劑受到廣泛關注。記者13日從中南大學獲悉，中南大學材料科學與工程學院劉小鶴教授團隊在廉價電催化材料領域取得了系列進展，《先進功能材料》《應用催化B：環境》等國際權威期刊連續發表了該團隊最新研究成果。    氫能是最具前景的清潔能源之一，電解水產氫是目前較為理想的制氫技術。
  • 華東師大化學與分子工程學院在電催化制氫領域取得重要進展
    中新網上海新聞12月5日電 近日，華東師大化學與分子工程學院上海市綠色化學與化工過程綠色化重點實驗室特聘教授施劍林院士與青年教師陳立松博士在有機物輔助電催化析氫領域取得重要進展
  • 西工大張健教授團隊:水分解制氫領域重要進展
    近日，西北工業大學理學院應用化學系張健教授團隊先後在光電/電催化水分解制氫催化材料的研究中取得重要進展光電/電催化水分解制氫能將光能或新能源產生的電能轉化成便於儲存、環境友好的氫能，是未來氫能時代的核心技術,理學院張健教授團隊在該領域研究成果如下：1）通過精確調控1,4-二乙炔苯與1,3,5-三乙炔苯的共聚作用，設計了一種全新的具有連續彎曲能帶的梯度同質結材料（圖1），這種結構有效促進了光生電荷載流子的分離與轉移，從而2.5倍提高了光電催化水分解制氫效率，相關研究成果「Poly
  • 電解水制氫產業聚向濟南
    （劉彪攝）　　氫氣，承載了人們眾多的美好想像空間：它燃燒產生水，沒有任何汙染；電解水可以產生氫氣和氧氣，如果這種設備安裝在車上，就可以提供動力……在眾多專家眼裡，氫氣被譽為人類能源終極解決方案。　　這個產業領域發展的關鍵點，是初中化學實驗室裡的電解水如何高效實現大規模生產？美好的期待如何變成現實？
  • 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
  • 青島大學趙海光教授在太陽能光解水制氫領域取得重要進展
    近日，青島大學國家重點實驗室趙海光教授、韓光亭教授與加拿大國立科學研究院Federico，Rosei教授合作在太陽能光解水制氫領域取得重要進展，相關研究成果以「Efficient and Stable Hydrogen Evolution Based
  • 哈工大:水系鹼性電池方面取得重大進展!
    近日，哈工大深圳校區柔性印刷電子技術研究中心、材料科學與工程學院教授黃燕在水系鹼性電池循環穩定性和自癒合特性上取得重大進展。
  • 全球最大一體化太陽能電解水制氫項目開建
    【能源人都在看，點擊右上角加'關注'】4月17日，高端煤基新材料領軍企業寶豐能源(600989)開工建設全球最大規模一體化太陽能電解水 制氫儲能及綜合應用示範項目。資料顯示，氫能源是綠色零排放的終極能源形勢，氫能在能源、交通、工業、建築等領域具有廣闊的應用前景，尤其是以燃料電池為代表的交通領域是氫能應用的突破口與主要市場。工信部已啟動《新能源汽車產業規劃(2021-2035年)》編制工作，將新能源汽車高質量發展為主線，研究產業化重點向燃料電池汽車拓展。
  • 太陽能光伏分解水制氫取得新進展
    近日，中國科學院大連化學物理研究所在太陽能光電催化分解水制氫研究方面取得新進展。這一研究成果拓展了空穴儲存層的應用，形成理性設計高效光電極的新策略和新思路，為實現高效太陽燃料製備提供重要的研究基礎。
  • 廉價電催化水分解研究領域取得重要進展催化效率大幅提高
    作為一種重要的可持續新能源技術，開發高效、廉價的水分解電催化劑受到廣泛關注。記者13日從中南大學獲悉，中南大學材料科學與工程學院劉小鶴教授團隊在廉價電催化材料領域取得了系列進展，《先進功能材料》《應用催化B:環境》等國際權威期刊連續發表了該團隊最新研究成果。 　　氫能是最具前景的清潔能源之一，電解水產氫是目前較為理想的制氫技術。然而，這項技術的廣泛應用一直被高價的貴金屬催化劑所制約，亟待尋找廉價的高性能電催化劑替代貴金屬催化劑。
  • 我國學者研製出高性能低成本的電解「水制氫」催化劑
    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。　　近年來，國際學界在全水解電極催化劑的設計製備方面，取得了令人矚目的進展。但是，尋找能在中性水電解質中同時展現高活性、高穩定性的非貴金屬電催化劑仍是一大挑戰。
  • 哈工大在鈣鈦礦光伏領域取得重要進展
    北極星太陽能光伏網訊:近日，哈爾濱工業大學化工與化學學院楊玉林教授與範瑞清教授帶領的光電功能材料團隊在鈣鈦礦光伏領域取得重要進展，研究成果以科研論文的形式發表在國際化學頂級期刊德國應用化學（Angewandte Chemie International Edition，影響因子12.275），並選為「Hot Paper」。
  • 科學網—讓電解水制氫變得更容易
    而電解水制氫正是將富餘電力轉化為氫能的好途徑。近期，中國科學院寧波材料技術與工程研究所所屬新能源所研究員陳亮團隊提供了一種高效的酸性析氧電催化劑，並提出了相應的機理解釋，一定程度上推動了酸性電解水制氫的研究。相關研究發表在《自然—通訊》上。
  • 衣寶廉:迎接電解水制氫儲能高潮
    中國工程院院士，中科院大連化物所研究員衣寶廉在視頻連線中做了以「迎接電解水制氫儲能高潮」為主題的報告。　　在能源轉型中，氫能的利用可以實現大規模、高效可再生能源的消納；在不同行業和地區間進行能量再分配；充當能源緩衝載體提高能源系統韌性；降低交通運輸過程中的碳排放；降低工業用能領域的碳排放；代替焦炭用於冶金工業降低碳排放，降低建築採暖的碳排放。
  • 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。
  • 如何降低電解水制氫的成本?
    因此水電解制氫成本的關鍵在於耗能問題。 由此引出兩條降成本的途徑：一是降低電解過程中的能耗，二是採用低成本電力為制氫原料。 目前主流的電解水制氫技術有三種類型：包括鹼性電解水制氫、質子交換膜電解水(PEM)制氫和固態氧化物電解水(SOEC)制氫. 其中鹼性電解水制氫是最為成熟、產業化程度最廣的制氫技術，但其電解效率僅為60-75%，國外研發的PEM技術與SOEC技術均能有效提高電解效率，尤其是PEM技術已引入國內市場。
  • 【乾貨】水電解制氫技術發展現狀及瓶頸分析
    重要|萬鋼向中央建議：將氫能作為能源管理而非危化品處理中石化正籌備設立中國石化氫能公司交通部發文！燃油公交車全部更換為新能源汽車!總量超百萬!【乾貨】中/德/日/美氫價與油價對比 鹼性液體水電解技術已實現全球商業化，PEM和AEM水電解制氫技術或將成為未來主流。
  • 觀察|衣寶廉:迎接電解水制氫儲能高潮
    中國工程院院士，中科院大連化物所研究員衣寶廉在視頻連線中做了以「迎接電解水制氫儲能高潮」為主題的報告。衣寶廉介紹，氫的製備技術路線方面，目前主要是要用綠氫，即電解水制氫和副產氫。可再生能源電解水制氫可以解決可再生能源的波動性，特別是季節性的波動性，解決棄水、棄光、棄風的問題。可以替代石油用於汽車，可以替代天然氣用於燃氣輪機發電，也可以替代焦炭用於冶金工業。
  • 電解水制氫技術取得重大突破,瑞典正攻克「突破性氫能煉鐵技術」
    上海高研院在質子交換膜電解水制氫研究中取得進展近日，氫雲鏈從相關渠道了解到，中國科學院上海高等研究院楊輝團隊與美國凱斯西儲大學戴黎明課題組合作在氫能源研究領域取得新進展，發展了碳缺陷驅動的鉑原子團自發沉積新方法，實現了電解水制氫陰極Pt用量大幅降低，研究成果以Carbon-DefectDrivenElectrolessDepositionofPtAtomicClustersforHighlyEfficientHydrogenEvolution