基于铜纳米柱的氢化酶功能模拟材料

随着全球经济的高速发展和人类社会对能源需求的快速增长,能源短缺、环境污染等问题日益突出。要实现人类社会的可持续发展,必须逐渐改变现有的能源结构,开发能够替代化石能源的清洁的可再生能源体系。氢气作为一种清洁、高效的能源载体已引起世界范围的高度重视。毫无疑问,与采用化石燃料或生物质作为产氢原料相比,以水为产氢原料具有廉价、资源丰富、无二氧化碳排放等诸多优点。因此,利用太阳能或可再生能源产生的电能裂解水制氢,氢气在燃料电池中与氧气反应释放能量的同时重新生成水,形成一个可持续的能源循环系统,被认为是解决全球能源短缺和二氧化碳过度排放问题的理想方法。

实现光解水制氢有许多需要解决的关键科学和技术问题,其中之一是要研制高效、长寿命、低成本且环境友好的电化学催化水还原产氢催化剂。这些催化剂不仅可以直接用于电解水产氢,而且可以与半导体材料结合构建高效光敏电极,用于光解水产氢。

AEMwangmei

大连理工大学精细化工国家重点实验室王梅教授指导的博士研究生张培立,通过多齿氮配位铜分子催化剂电沉积得到一种基于铜纳米柱的高效、稳定的产氢催化剂。铜配合物中配体的配位作用能够控制中心金属铜的解离过程和电沉积速度,从而生成具有三维立体结构的高活性纳米铜膜。在中性水溶液中低过电位下表现出极高的产氢活性、且非常稳定,是一种催化产氢性能近似铁铁氢酶,但比其更稳定的催化剂。其催化电流密度达到20和100 mA cm−2所需的过电位分别为45和94 mV,且在100小时长时间电解时无衰减。这种基于铜纳米粒子的膜电极在中性和近中性水溶液中的催化产氢活性明显高于铂片和铂/碳电极,且成本远低于铂,是一种在中性水溶液中可替代铂的廉价、高效的电解水产氢催化剂,其在中性水溶液中的催化活性甚至可以与铂电极在强酸性溶液中的催化活性相媲美。相关研究结果发表在Advanced Energy Materials(DOI:10.1002/aenm.201502319)上。