Advanced Science:各司其职-单原子和纳米粒子共同助力高效碱性析氢

有别于煤、石油和天然气等传统化石燃料所带来的环境污染和能源利用效率低,氢能以它自身高效、清洁的特点闪亮登场。随着全球制氢工业的发展,人工制氢的需求量呈现出爆发式增长,制氢技术也日新月异。传统的煤气化制氢方法伴随着大量温室气体的产生,在现今能源结构优化及能源可持续发展进程中必将被逐步取代。光催化或光热解制氢技术是未来理想的制氢技术,但受制于转换效率和成本等问题,在短期内难以实现规模化。因而,电解水制氢技术在万众瞩目之下蓬勃发展。

作为一种可持续的制氢方法,电解水产氢可以直接将电能转化为氢能。其中,高效的析氢电催化剂必不可少。目前,电解水制氢的重要途径之一是碱性电解槽技术。区别于酸性环境下单一的氢质子耦合,在碱性条件下,析氢反应还涉及水解离过程,其较高的动力学能垒严重影响了析氢反应的效率。即便是商用的铂碳催化剂,其碱性的析氢反应活性也远不及酸性。因此,设计多位点的析氢催化剂,使其可以同时促进水解离和氢析出,具有很大的挑战性。

中国科学院上海硅酸盐研究所的王家成研究员、刘建军研究员与美国俄勒冈州立大学冯振兴教授报道了通过铁、氮双掺杂的纳米碳基底来调控纳米金属钌的电子结构及分布状态,获得了一种钌单原子和钌纳米粒子复合的电催化剂(Ru/Fe-N-C),并用于碱性析氢反应。并且通过XANES、EXAFS以及DFT计算等方法探究了该催化剂的微观配位环境及析氢反应的机理。研究发现,铁、氮共掺杂基底有利于钌纳米粒子分散为钌单原子和更小尺寸的纳米粒子,其中的Fe-N4单原子基团可以调控钌纳米团簇的电子结构,进而优化其氢吸附自由能。在1M KOH溶液中,Ru/Fe-N-C呈现出了优异的电催化析氢性能。在10 mA cm-2电流密度下,具有超低的过电位(η10=9 mV),很高的TOF值(50 mV过电位下为8.9 H2 s−1)和法拉第效率(接近100%),其性能优于商业Pt/C和目前报道的其它催化剂。计算结果表明,Ru-N4基团可以显著加快水解离过程,产生更多的中间产物氢质子,而这些吸附氢在附近的Ru纳米粒子上面结合生成H2,并解吸,以完成整个反应过程。

研究者相信,此项研究为高效的多位点析氢催化剂提供了一种简单、可批量化生产的合成方法,也为能源转化和储存的电催化剂设计提供重要的参考依据。相关论文发表在Advanced Science (DOI: 10.1002/advs.202001881)。