Advanced Energy Materials:Ru/Ni/WC@NPC多界面复合催化剂用于氯碱电解条件下高效析氢

1、研究背景:

电解水制氢与氯碱工业的联产开发不仅可以解决电解水制氢中存在的产品结构单一(氧气工业价值较低)、设备投入高等问题,同时也可以大幅度降低氯碱行业的能耗,促进产业升级,提高总体经济效益。而实现这种耦合联产的关键科学问题之一就是开发在强碱、高温、高盐浓度的苛刻条件下具有高活性、高稳定性的析氢催化剂。在碱性介质中表现出高活性的析氢催化剂已经有较多的报道,但对这些催化剂的设计和调控多是从降低水裂解能垒和优化氢吸附自由能两方面考虑的,高温环境对碱性介质中析氢活性的影响还未被关注和研究,而深入理解温度与析氢性能的内在关联并制备出在高温环境下仍具有高性能的碱性析氢催化剂恰恰是实现析氢和氯碱联产的一个重要问题。若电催化剂表面的水吸附过程的放热效应明显,根据勒夏特列原理可知,温度升高不利于这一过程的进行,因而在高温下高效工作的碱性析氢催化剂的水吸附步骤应当是吸热的或微弱放热的。也就是说,开发可在氯碱电解条件下高效工作的析氢催化剂必须同时兼顾以下三点:水吸附步骤吸热或微弱放热、水裂解能垒较低以及氢吸附自由能接近于零。

2. 文章概述

近日,由东北师范大学李阳光、谭华桥教授和郎中玲副教授领导的科研团队通过理论模拟预测并成功制备了水裂解能垒极低(ΔGb = 0.61 eV)、氢吸附自由能接近于零(ΔGH* = -0.03 eV),水吸附步骤放热微弱(ΔHH2O = -0.12 eV)的Ru/Ni/WC@NPC多界面三元复合催化剂,并系统地研究了该催化剂在碱性电解液以及模拟氯碱电解条件下的析氢性能。该工作对于探索温度及强碱性环境对析氢性能的影响具有指导和借鉴意义,且在一定程度上推动了电解水制氢和氯碱工业的耦合发展。

3. 图文导读

图1. (a) Ni(111), WC(001), Ru(100), Ni/WC, Ru/Ni/WC的模拟结构;在不同模型表面的(b)水裂解的吉布斯自由能分布和(c)氢吸附自由能分布。

图2. (a) Ru/Ni/WC@NPC的制备过程示意图;(b-c) Ru/Ni/WC@NPC的TEM图;(d-j) Ru/Ni/WC@NPC (Ru wt.%= 4.13%)单个纳米颗粒中各个元素的TEM-EDS元素mapping图像;(k) Ru/Ni/WC多界面纳米颗粒模型。

图3. Ru/Ni/WC@NPC (Ru wt.%= 4.13%)的(a) PXRD图和(b-h) XPS光谱。

图4. Ru/Ni/WC@NPC (Ru wt.%= 4.13%)及其它对照样品在室温下1 M KOH电解液中的析氢性能。

图5. (a) Ru/Ni/WC@NPC (Ru wt.%= 4.13%)在1 M KOH电解液中,不同温度下的析氢LSV曲线对照;Ru/Ni/WC@NPC (Ru wt.%= 4.13%)与其他对照样品在1 M KOH电解液中,90 °C下的析氢(b) LSV对照和(c) 塔菲尔斜率对照;(d) Ru/Ni/WC@NPC (Ru wt.%= 4.13%)在1 M KOH,90 °C条件下的稳定性测试。

图6. (a) Ru/Ni/WC@NPC (Ru wt.%= 4.13%)在模拟氯碱电解液(3 M NaOH + 3 M NaCl)中不同温度下的析氢LSV曲线;(b-d) Ru/Ni/WC@NPC (Ru wt.%= 4.13%),20%商业铂碳和低碳钢(氯碱工业中目前常用的析氢阴极)在模拟氯碱电解条件下的析氢性能对照;(e) H型电解池装置图片;(f) 以RuO2/IrO2-Ti网作为析氯阳极,Ru/Ni/WC@NPC (Ru wt.%= 4.13%),20%商业铂碳和低碳钢分别作为析氢阴极时,电解池的性能对照图。

4. 结论

团队以理论模拟作为指导,成功制备了氢吸附自由能接近于零、水裂解能垒较低且水吸附步骤放热效应微弱的多界面三元复合材料Ru/Ni/WC@NPC。Ru/Ni/WC@NPC (Ru wt.%= 4.13%)在1 M KOH中表现出了极低的过电势,较小的Tafel斜率,接近于百分之百的法拉第效率和良好的耐久性(η10 = 3 mV, Tafel slope = 33.4 mV dec-1)。而且,与理论模拟的预期结果一致,该电催化剂在模拟氯碱电解条件下(3 M NaOH + 3 M NaCl 水溶液,90 °C)也展现出了优异的析氢性能,且明显优于20%商业铂碳和目前在氯碱工业中广为应用的低钢。该研究深入探索了强碱性以及高温环境对电催化析氢性能的影响,为后续的研究提供了有利参考,同时也促进了低能耗高效制氢与氯碱生产的联合发展。

论文信息:

英文题目 Advanced Ru/Ni/WC@NPC Multi-interfacial Electrocatalyst for Efficient Sustainable Hydrogen and Chlor-alkali Co-Production

Abdulwahab Salah, Lunan Zhang, Huaqiao Tan*, Feiyang Yu, Zhongling Lang*, Nabilah Al-Ansi, Yangguang Li*

Advanced Energy Materials

DOI: 10.1002/aenm.202200332

原文链接:https://doi.org/10.1002/aenm.202200332