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木士春教授在非贵金属电解水催化剂研究方面取得重要进展

发布:2019-05-09 18:11 来源:新材料研究所 字体:
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  为了解决日益紧张的能源需求及环境恶化等问题,发展新型可再生能源势在必行。其中,氢能源作为一种可持续且环境友好的新型能源,近年来受到了广泛关注。电解水制氢以水为原料可实现在无碳排放的情况下的高质量产氢,具有操作简单、氢气纯度高且绿色环保等优势,被认为是最具前景的产氢技术之一。近几年来,福德正神官网木士春教授课题组在电解水制氢催化剂的设计、构筑及电催化性能方面开展了大量的研究工作,已在J Am Chem Soc、Energy Environ Sci、Angew Chem Int Ed、Adv Energy Mater、Adv Funct Mater、Nano Energy、J Catal等国际权威期刊上发表50余篇SCI高质量论文。

  在众多的催化剂中,Ni3S2材料因具有高电导率、独特的电子结构和可控的多元化形貌,被认为是最有前景的非贵金属电解水催化剂之一,但其稀疏的活性位点严重限制了其氢析出反应/氧析出反应(HER/OER)电催化活性。目前,提高电化学水分解催化活性的有效策略主要集中于金属或非金属掺杂、界面工程等,然而,不同策略的有机结合及协同优化却很少被人们探讨。对此,在前期研究基础上,木士春教授课题组提出了一种新颖的自上而下策略,通过巧妙结合金属掺杂和界面工程构筑了具有高催化活性的分级枝叶状Mo-Ni3S2/NixPy/NF中空纳米棒。首先,他们通过精确控制Mo掺杂优化Ni3S2的电子结构,并诱导Ni3S2纳米片聚集成花状团簇;再经部分磷化处理,Mo-Ni3S2花状团簇与磷化物发生杂化,同时Mo-Ni3S2作为结构模板进一步融合生长,从而构筑出了分级枝叶状Mo-Ni3S2/NixPy/NF中空纳米棒。

  得益于优化的电子结构配置、独特的分级枝叶状中空纳米棒结构以及丰富的异质界面,构筑的Mo-Ni3S2/NixPy/NF电极在1 M KOH溶液中呈现出了优异的HER/OER电催化活性和稳定性:对于氧析出反应(OER),仅需238 mV过电位即可达到50 mA cm-2的电流密度;而对于氢析出反应(HER),也仅需109 mV过电位可达到10 mA cm-2电流密度。更重要的是,当将其作为双功能催化剂组装成电解槽时,仅需1.46V的超低电压就可以达到10 mA cm-2的电流密度,这是目前为止报道的最低水分解电压值之一。此外,该催化剂还具有优异的稳定性和几乎100%的法拉第产氢效率。密度泛函理论(DFT)计算结果进一步证实,该掺杂型异质结构可以协同优化吸附H*及含氧中间产物(OH*,O*,OOH*) 在HER和OER过程中的吉布斯自由能,从而加速电化学水分解的催化动力学。无疑,此项工作将为合理设计和研发具有高催化性能的廉价电极材料提供新的研究思路。

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  通讯员:熊远禄 审稿人:罗小寒

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