基于Ni3N/Pt纳米复合电催化剂的同步产氢与发电器件

aenm-zhenggengfeng氢能,作为一种能量密度高并且环境友好的能源形势,其开发与利用对于降低CO2排放,进而减缓全球温室效应有着重大意义。在众多的制氢方案中,碱性电催化产氢又因生产安全、产物纯度高而广受青睐。然而,碱性条件下缓慢的产氢Volmer反应动力学却严重阻碍催化剂的性能发挥。即便对于被公认为最优秀的Pt催化剂,其Tafel斜率以及过电位都远未达到最佳水平。这便使得实际氢气生产中的催化剂用量与电能消耗增加,最终导致成本大幅上升。虽然近期的一些研究发现金属氧化物/氢氧化物与Pt复合,可明显改善Volmer反应动力学,提升产氢催化性能。但考虑到功函数的差距,这样的复合催化剂在半导体与金属的界面处通常会形成Schottky势垒,阻碍电子传递,进而限制催化剂性能的充分发挥。

为解决上述问题,复旦大学先进材料实验室与化学系郑耿锋教授课题组设计开发了一种性能超越商用20% Pt/C的Ni3N/Pt纳米复合碱性产氢电催化剂。因Ni3N纳米片层独特的金属性和氢氧化物表面,Ni3N/Pt纳米复合碱性产氢电催化剂同时具备了不存在Schottky势垒阻碍的电子通路以及高活性Volmer反应催化位点。受这种协同效应的促进,Ni3N/Pt催化剂凭借更低的Pt含量(15%)实现了极低的产氢启动过电位-5 mV vs. RHE,并且在160 mV过电位时的电流密度达到200 mA cm-2,数值是商用20% Pt/C的两倍。Tafel斜率也达到已知碱性产氢催化剂中的最低值36.5 mV dec-1。对比同类其他催化剂,各项性能指标均处于领先地位。基于这种高效电催化剂,该研究团队设计了一种同步产氢与发电器件。该器件使用Ni3N/Pt催化剂和金属锂作为正负极,理论能量密度接近锂空气电池,在制氢同时向外输出1.3—2.2 V电压,并能连续长时间稳定工作超过60小时。在未来,该器件有望通过与风力或太阳能电网等连接实现金属锂再生,并通过分解海水来大规模制备氢气并且对外输出电能,成为一种获取清洁能源、解决温室气体排放的有效途径。

以上成果已于近期发表在Wiley旗下的Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.201601390),并被选为当期的封底图片作特别报道。