高性能全水裂解纳米电催化材料研究获突破

电解水被广泛认为是非常有前景的制氢路线之一,尤其考虑到所需电能可以通过转化可再生的风能、电能获得。然而,水裂解反应不仅在热力学上不易发生,而且在动力学上也很难实现,因为水裂解两个半反应(水还原和水氧化)的发生都需要大的活化能垒。幸运的是,适宜的催化剂可以显著降低这两个半反应的能垒和过电势。目前,Pt基材料是具有最高活性的产氢电催化剂,而IrOx材料则是高活性的产氧催化剂。基于这些贵金属催化剂组装的电解池输出10 mA/cm2的电流密度所需电压仅为1.5 V左右,这一水分解电压只略高于水的理论可逆分解电压(1.23 V)。尽管如此,基于贵金属催化剂的电解水技术依旧难以广泛应用,主要因为材料中所涉及的贵金属储量稀少,价格昂贵,容易失活。因此,全水裂解制氢的关键技术之一是发展高活性、高稳定性的非贵金属电催化剂。

随着相关研究的推进,一些具有产氢或产氧催化活性的非贵金属单功能催化剂相继被开发出来。相比较这些单功能催化剂,同时具有产氢和产氧催化活性的双功能非贵金属催化剂更有优势。这是因为1)双功能催化剂的产氢和产氧的最佳工作环境相似,能够更容易组装成电解水器件;2)通常,单功能产氢催化剂和单功能产氧催化剂无论是材料制备还是性能优化都需要通过两套不同设备和两种不同方法来实现,而对于双功能催化剂,不严格地说,人们可以用一半的物力、财力、精力来实现上述目的,这将显著降低电解水器件成本。目前,只有少数几个钴基、镍基催化剂可以同时催化水还原反应和水氧化反应,其中绝大多数双功能催化剂的全解水催化活性远低于Pt/IrOx 的催化剂组合, 它们通常需要大于1.6 V的电压才能实现10 mA/cm2的电流密度;而且,许多双功能水裂解催化剂依旧存在容易失活的问题。

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吉林大学无机合成与制备化学国家重点实验室邹晓新博士课题组和美国罗格斯大学Asefa教授课题组合作在高性能全解水电催化剂研究中取得新突破。邹晓新博士等人利用嵌段共聚物P123的结构导向作用,在泡沫镍基底上原位构筑了由超薄纳米片组成的空心Ni3S2纳米电催化材料。通过有效的纳米结构设计,所得材料暴露了大量的催化活性位点,既能高效催化水还原半反应,也能高效催化水氧化半反应。由该双面材料组装的碱性电解池,在1.45 V电压下即可获得10 mA/cm2的电流密度,稳定工作时间超过200 h。其性能已经超越了由贵金属催化剂Pt/C-IrOx/C构成的电解池。

相关论文发表在Advanced Functional Materials (DOI:10.1002/adfm.201601315)上,第一作者为吉林大学无机合成与制备化学国家重点实验室硕士生吴园园。

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