Energist 能源學(xué)人 2020.6.15
近年來(lái)受傳統(tǒng)能源危機(jī)和環(huán)境污染等問(wèn)題的影響，氫能作為一種可持續(xù)且環(huán)境友好的新型能源，受到了廣泛關(guān)注。電化學(xué)水分解可在無(wú)碳排放的情況下生產(chǎn)高質(zhì)量的氫氣，為人們提供了一種具有廣泛應(yīng)用前景且高效的產(chǎn)氫方法。但電解水制氫也存在一些限制其規(guī)?；l(fā)展的瓶頸，如缺乏高效的電催化劑以降低制氫能耗。為了進(jìn)一步提高水解反應(yīng)動(dòng)力學(xué)并實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化，研發(fā)具有高性能和低成本的非貴金屬雙功能電催化劑至關(guān)重要。過(guò)渡金屬磷化物（TMPs）作為一類間隙化合物，具有高的導(dǎo)電性、電催化活性及電化學(xué)穩(wěn)定性，近年來(lái)認(rèn)因?yàn)槭翘娲鶳t等貴金屬催化劑的首選。Ru作為Pt族的一員，具有類Pt的析氫活性和高于Pt的析氧活性，而且其價(jià)格僅為Pt的4%，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。因此用低載量的Ru去進(jìn)一步提高磷化物的HER,OER雙活性并將其應(yīng)用于全水解制氫是解決電解水瓶頸問(wèn)題的值得期待的方法。此外，考慮到太陽(yáng)能的豐富性，建立以低Ru負(fù)載的過(guò)渡金屬磷化物為催化劑的太陽(yáng)能制氫系統(tǒng)無(wú)疑是電解水制氫技術(shù)的最佳選擇。
【工作介紹】
近日，武漢理工大學(xué)木士春課題組等人利用類普魯士藍(lán)（PBA）為前驅(qū)體通過(guò)先水熱載釕再低溫固相磷化的方法獲得了Ru摻雜的過(guò)渡金屬磷化物Ru-MnFeP/NF雙功能催化劑。并且通過(guò)XRD, XPS, SEM, STEM等表征手段對(duì)催化劑的物相和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。電化學(xué)測(cè)試結(jié)果表明，這種由PBA衍生而來(lái)的獨(dú)特的納米片花結(jié)構(gòu)擁有很高的本征活性和豐富的活性位點(diǎn)，在堿性條件下展現(xiàn)了優(yōu)異的HER和OER活性與穩(wěn)定性?；诖? 當(dāng)將其組裝為兩電極電解槽時(shí)，可擁有很低的全解水電壓。最后，他們將該全水解裝置與太陽(yáng)能電池聯(lián)用，成功構(gòu)建和演示了太陽(yáng)能制氫系統(tǒng)。該文章發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)能源期刊Advanced Energy Materials上。碩士生陳釘為本文第一作者。
【內(nèi)容表述】
為了實(shí)現(xiàn)高效電解水制氫，催化劑材料尤為關(guān)鍵。其不僅需要滿足高活性、高穩(wěn)定性的性能需求，同時(shí)也需要滿足低成本、來(lái)源廣泛和易于合成的實(shí)際要求。本文設(shè)計(jì)的HER、OER雙功能電催化劑Ru-MnFeP/NF集合了PBA的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)和磷化物及Ru的性能優(yōu)勢(shì)，同時(shí)控制了成本，且易于合成。將原位生長(zhǎng)在泡沫鎳（NF）上的MnFe-PBA通過(guò)水熱載釕處理和低溫固相磷化處理即可獲得超低Ru(1.08 wt%)負(fù)載的過(guò)渡金屬磷化物Ru-MnFeP/NF。與其他對(duì)比樣品如MnFeP/NF、Ru-MnFe等的比較可以發(fā)現(xiàn)，得益于Ru摻雜后優(yōu)化的電子結(jié)構(gòu)配置、獨(dú)特的納米片花結(jié)構(gòu)和改善的含氫、含氧中間體的吸附過(guò)程，Ru-MnFeP/NF催化劑在1 M KOH溶液中呈現(xiàn)出了優(yōu)異的析氫和析氧電催化活性。
電化學(xué)測(cè)試結(jié)果表明，當(dāng)OER、HER電流密度分別達(dá)到20 mAcm-2、10 mA cm-2時(shí)Ru-MnFeP/NF所需要的過(guò)電勢(shì)僅分別為191mV和35 mV。該催化劑的OER和HER活性超過(guò)了大多數(shù)的過(guò)渡金屬磷化物，甚至達(dá)到了Pt的HER電催化水平。此外，組裝的全水解裝置在10 mA cm-2的電流密度下以極低的電壓（1.470 V）實(shí)現(xiàn)了水的全分解。最后，為了解決電解水制氫技術(shù)中電力來(lái)源問(wèn)題，進(jìn)一步將該全水解裝置與太陽(yáng)能電池聯(lián)用，構(gòu)建了太陽(yáng)能制氫系統(tǒng)，使Ru-MnFeP/NF催化劑的規(guī)模化應(yīng)用成為了可能。
Ding Chen, Zonghua Pu, Ruihu Lu, Pengxia Ji, Pengyan Wang, Jiawei Zhu, Can Lin, Hai‐Wen Li, Xiangang Zhou, Zhiyi Hu, Fanjie Xia, Jingsong Wu, Shichun Mu, Ultralow Ru Loading Transition Metal Phosphides as High‐Efficient Bifunctional Electrocatalyst for a Solar‐to‐Hydrogen Generation System, Adv. Energy Mater., 2020, DOI: 10.1002/aenm.202000814
作者簡(jiǎn)介：
木士春，武漢理工大學(xué)首席教授。長(zhǎng)期致力于碳基納米材料、質(zhì)子交換膜燃電池和電解水催化劑的應(yīng)用基礎(chǔ)研究。目前，以第一作者或通訊作者在Adv Mater、J Am Chem Soc、Angew Chem Int Ed、Energ Environ Sci、Adv Energy Mater、Adv Funct Mater、ACS Nano、Nano Energy、ACS Catal、ACS Energy Lett等國(guó)內(nèi)外權(quán)威期刊上發(fā)表200余篇高質(zhì)量SCI學(xué)術(shù)論文。以第一發(fā)明人申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利97件，其中授權(quán)73件。