“智能”催化剂大幅度提升电解水制氢效率   

  氢能作为一种高能量密度且可再生的“零碳”清洁资源,在解决能源与环境的问题上具有巨大优势。然而在用电解水制备氢气时,以往多使用成本高昂、储量稀少的贵金属催化剂。近日,南京工业大学开发了一种高活性兼具高稳定性的“智能”非贵金属催化剂,可替代传统的贵金属催化剂,这一最新研究成果日前发表在Nature子刊《自然通讯》上。

  南京工业大学邵宗平教授和周嵬教授团队多年来一直致力于研究钙钛矿氧化物材料在能源转换与存储中的应用。钙钛矿可谓是科研界的“明星”材料,其结构和电子结构灵活可调、组成元素种类众多且来源丰富,近年来在包括电解水等众多领域有着极大的应用。该团队继去年在《自然通讯》上发表钙钛矿催化剂用于电解水的重大突破后,今年,他们深入分析了在反应过程中催化剂的变化所带来的“双刃剑”效应(即催化剂在反应过程中的离子析出行为有助于吸附反应物促进反应进行,但与此同时催化剂结构被破坏使得稳定性无法保持),并基于一个旧材料对其进行重新设计,使得旧材料老树开花扬长补短,取得可喜的成果。

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  据上述两篇Nature子刊的第一作者博士研究生管大秦介绍,电解水制氢工艺包含阴极的产氢反应和阳极的产氧反应,阳极的反应很慢,往往会限制整体电解水产氢的效率,“因此,我们开发的这种阳极‘智能’催化剂,能够在反应过程中自适应地转变成具有更高活性和稳定性的共边和共面型表面物质,从而使产氧能够又快又稳地进行,这样阴极产氢反应的效率就会大幅提高了。”管大秦介绍,这里的“智能”主要体现在,由于离子析出有利有弊,所以课题组创新设计策略调控了材料离子析出行为,从而使材料在反应过程中能够同时发挥出离子析出行为的优点同时克服其缺点。“我们是在钙钛矿材料里通过化学一步法自组装的合成方法,引入可溶性杂相氯化钡和氯化锶来进行调控离子析出行为的。”管大秦说,课题组还通过多种现场原位的表征技术阐明了这种“智能”催化剂在产氧过程中的催化机理。

  “这种‘智能’的钙钛矿型催化剂不仅催化活性高,稳定性好,同时合成简便,原料储量丰富。我们将这种阳极催化剂和我们上篇Nature子刊中的阴极钙钛矿型催化剂结合起来用于整体电解水,结果发现:我们这种钙钛矿催化剂组合比贵金属组合,具有更高的性价比和更好的稳定性,即在同样的反应电位和资金投入下,我们的催化剂组合所达到的活性是贵金属组合的十几倍,而且稳定性还更加优越。”研究团队周嵬教授介绍。

  此项工作不仅给科研界的基础研究提供了一种全新的设计思路,同时,开发出来的“智能”非贵金属催化剂具有很高的催化活性和稳定性,而且价格低廉,在电解水制氢、氢燃料电池以及其他涉及产氧反应的储能领域(比如锌空气电池等),显示出广阔的应用前景。


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