Advanced Functional Materials:双功能电催化剂共电解甲醇/水低能耗制氢气与增值化学品

作为一种清洁的二次能源,氢气的燃烧热值是汽油的3倍,酒精的3.9倍,焦炭的4.5倍。氢燃烧的产物是水,是世界上最干净的能源。目前,工业上绝大部分氢气是由煤或天然气经过高温水煤气变换法制备而来,能耗高、污染大且氢气的纯度不高。利用清洁电能驱动水分解制氢具有条件温和、环境友好等特点,是未来高效制备高纯氢的策略之一。

然而,由电解水方法制备的氢气只占氢气总产量的4%左右,究其原因,主要是电解水过程中阳极析氧反应(OER)过高位大,使得电解水制氢能耗高,成本贵。传统的电解水阳极产物为利用价值不高的氧气,如与阴极析出的氢气接触易发生安全隐患。

深圳大学材料学院符显珠教授和Jing-Li Luo院士团队针对这一问题开展了系统而深入的研究。他们在传统的电解水体系中加入一定量的甲醇,并构筑了氢氧化钴@羟基硫化钴核-壳结构纳米片阵列为双功能催化剂,成功实现了阳极甲醇高选择氧化至增值化学品甲酸盐、同时供进阴极高效产氢。相比于单纯的全水解反应,共电解体系下在达到10 mA cm-2的电流密度时的电位显著降低了134 mV。而且在较高的电流密度下(70 mA cm-2),阴阳极产物的法拉第效率仍然高于98%。共电解体系下,产生相同量的氢气要比传统水分解时节能8-13%左右。相关成果以“Boosting H2 Generation Coupled with Selective Oxidation of Methanol into Value-Added Chemical over Cobalt Hydroxide@Hydroxysulfide Nanosheets Electrocatalysts”为题发表在Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.201909610)上。通讯作者为深圳大学符显珠教授,第一作者为深圳大学博士后项坤,南京大学郭学锋教授课题组为本文提供了有益的帮助。