环境学院王磊教授团队在电解海水催化剂领域 取得系列进展

发布时间:2023-12-24 作者: 来源:

发展绿色氢能经济是我国向可再生零碳能源结构转型,实现“碳达峰、碳中和”目标的必由之路。电解水制氢技术立足于未来碳中性甚至负碳被寄予厚望,但现有电解水制氢技术大都基于纯水,忽略了占地球水资源97%的海水,因此电解海水制氢具有明显的资源优势和现实意义。然而,电解海水催化剂仍面临诸多挑战:一方面,海水中高浓度的氯离子会引发阳极端的竞争性氯氧化副反应,造成严重的电极腐蚀,降低催化剂的寿命;另一方面,电解海水阴、阳极催化剂在复杂海水溶液中的活性仍有待进一步提升。因此,这对电解海水催化剂提出了更高的要求。

近日,青岛科技大学环境学院王磊教授团队在电解海水催化剂研究方面取得系列进展,相关成果先后发表在Advanced Materials(2023, 2307395),Advanced Materials(2023,35,2301359),Angewandte Chemie International Edition(DOI: 10.1002/anie.202316319),Advanced Energy Materials(2023,13, 2301438),Advanced Functional Materials(2023,33,2300625),Nano Energy(2023,109,108292),Nano Energy(2023,105, 108008),Applied Catalysis B: Environmental(2023,320, 121977)和Applied Catalysis B: Environmental(2023,328, 122487)等国际期刊上。

首先,王磊教授团队制备了基于氢溢流的富氧空位Ru/NiMoO4-x电解海水制氢催化剂,研究了内建电场与氢溢出增强机理之间的内在关系。理论计算与原位拉曼光谱相结合,揭示了H*从NiMoO4-x向Ru的溢出;同时,氧空位削弱了Ru向NiMoO4-x的电子供应,有助于稀释内建电场对氢溢出的阻力。此外,原位表征测试结果表明海水电解液中较高的离子浓度明显促进了H*吸附过程。电化学测试结果表明,Ru/NiMoO4-x在碱性海水中产生3.0 A cm-2的电流密度所需的过电位为206 mV,并能在0.5 A cm-2的电流密度下稳定运行550 h(Angew. Chem. Int. Ed.DOI: 10.1002/anie.202316319)。

图1.Ru/NiMoO4-x材料的氢溢流反应理论计算图。

此外,在理论计算预分析的指导下,王磊教授团队通过阳离子掺杂和空位工程实现了Ni2P的电子再分配。原位表征和理论计算证实,电子再分配加速了析氧反应活性物质的重构过程,优化了析氢反应中间体的吸附能。得益于以上优势,制备的Fe-Ni2Pv电催化剂展现出优异的双功能催化活性,在工业化电解条件下,其组装的电解槽在1.0和3.0 A cm−2的电流密度下仅需要1.68和1.73 V的电压,且电解质溶液中无腐蚀性次氯酸盐生成。本研究不仅提供了一种适用于工业电解海水的高效双功能催化剂,而且为基于调控电子再分配开发更多电解海水催化剂提供了新的途径(Adv.Mater.2023, 2307395)。

图2.Fe-Ni2Pv材料的性能及析氧和析氢反应理论计算图。

针对在设计电解海水阴、阳极催化剂时面临的诸多挑战,王磊教授团队应邀在Advanced Energy Materials上撰写了综述文章,对提高电解海水催化剂反应活性的设计原则进行了总结。首先,作者概括了从活性位点构筑、电化学界面到电子转移路径设计等方面进行全面优化的通用准则。此外,作者针对电解海水阴极和阳极的不同特性,分别讨论了设计有效阴极和阳极催化剂的独特策略,如pH设计标准、选择性HER/OER和Cl阻挡层。此外,作者对未来电解海水催化剂值得进一步探索的内容进行了展望(Adv. Energy Mater.2023, 13, 2301438)。

图3.电解海水催化剂的通用设计准则。

以上研究成果得到了国家自然科学基金、山东省重大基础研究项目、山东省青年泰山项目、山东省“外专双百计划”、山东省自然科学基金等项目的资助和支持。