本站訊 近日，中國(guó)海洋大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院孟祥超教授課題組在國(guó)際頂尖期刊Nature communications（《自然-通訊》）上發(fā)表了題為“Engineering active and robust alloy-based electrocatalyst by rapid Joule-heating toward ampere-level hydrogen evolution”（快速焦耳加熱構(gòu)建高效穩(wěn)定合金電催化劑實(shí)現(xiàn)安培級(jí)制氫）的研究論文。
氫能作為一種零碳、高熱值的清潔能源，在全球能源轉(zhuǎn)型和應(yīng)對(duì)氣候變化方面扮演重要角色。按照制氫的三種方法，氫能分為灰氫、藍(lán)氫、綠氫。其中，以可再生能源電解水制氫為代表的綠氫在生產(chǎn)過程中不產(chǎn)生CO2等溫室氣體，被廣泛視為實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的重要路徑之一。陰離子交換膜（AEM）制氫技術(shù)被認(rèn)為是集堿性電解水（ALK）與質(zhì)子交換膜電解水（PEM）優(yōu)勢(shì)于一體的第三代電解水制氫技術(shù)，具有高效率、低成本、快速啟停等優(yōu)勢(shì)，但在大電流密度下電解槽系統(tǒng)活性和穩(wěn)定性不足限制了其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。因此，開發(fā)大電流密度下高活性、性能穩(wěn)定的堿性析氫催化劑是AEM制氫技術(shù)亟待解決的核心問題之一。
過渡金屬Mo基合金因其可調(diào)的化學(xué)組成、電子結(jié)構(gòu)以及高度的穩(wěn)定性，被廣泛研究并用作析氫電催化劑。通常，在合成過程中，高溫（> 1300 K）能夠促進(jìn)合金的形成，為原子分散提供活化能，但也容易引起熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)的原子聚集，進(jìn)而影響電化學(xué)活性與穩(wěn)定性。基于此，中國(guó)海洋大學(xué)孟祥超教授課題組提出了利用快速焦耳加熱技術(shù)精準(zhǔn)誘導(dǎo)RuMo合金的形成，實(shí)現(xiàn)了RuMo納米合金在MoO2基底的高分散性構(gòu)筑，從而合成高活性、高穩(wěn)定性的合金電催化劑。同時(shí)，通過焦耳加熱策略引入Ru元素后，催化劑的空位形成能（9.36 eV）以及Mo-o*反鍵能級(jí)能夠得到有效的增加和提高，從而抑制了Mo元素的溶解，提升催化劑的穩(wěn)定性（1 M KOH: 2000 h @ 1A cm-2）。并且，借助于RuMo納米合金引入的不對(duì)稱電場(chǎng)，能夠有效調(diào)控界面水網(wǎng)絡(luò)（氫鍵: 30-35; 鍵長(zhǎng): 2.37 ?-2.39 ?），促使快速的OH轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)，進(jìn)而在電解水制氫方面表現(xiàn)出優(yōu)異性能（1 M KOH: 256 mV @ 2A cm-2），實(shí)現(xiàn)AEM電解槽（RuMo@MoOx-JH（-）||NiFe-LDH（+））的低能耗制氫（3.82 kW h m-3 @ 300 mA cm-2）。這項(xiàng)工作為高分散納米合金的制備提供了一種普適性的構(gòu)筑方案，同時(shí)，也為理解電催化制氫反應(yīng)過程機(jī)制提供了更多的理論依據(jù)。
趙展同學(xué)在實(shí)驗(yàn)中
研究成果的第一完成單位是中國(guó)海洋大學(xué)，孟祥超教授為唯一/獨(dú)立通訊作者，文章第一作者是化學(xué)化工學(xué)院2023級(jí)海洋化學(xué)工程與技術(shù)專業(yè)博士生趙展。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、山東省自然科學(xué)基金、山東省泰山學(xué)者項(xiàng)目以及學(xué)校學(xué)科建設(shè)等項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)的大力支持。
通訊員：趙展
編輯：趙奚赟
責(zé)任編輯：劉蒞
