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哈工大深圳校區(qū)陶有堃課題組在水電解制氫電催化領(lǐng)域取得研究進(jìn)展
導(dǎo)讀：近日，深圳校區(qū)前沿學(xué)部理學(xué)院副教授陶有堃課題組在質(zhì)子交換膜水電解制氫(PEMWE)陽極電催化領(lǐng)域取得重要研究進(jìn)展。
近日，深圳校區(qū)前沿學(xué)部理學(xué)院副教授陶有堃課題組在質(zhì)子交換膜水電解制氫(PEMWE)陽極電催化領(lǐng)域取得重要研究進(jìn)展，研究成果以《通過引入鎢-氧橋聯(lián)解決銥鎳氧電催化劑重構(gòu)的活性-穩(wěn)定性難題》(Tackling activity-stability paradox of reconstructed NiIrOx electrocatalysts by bridged W-O moiety)為題發(fā)表于《自然通訊》(Nature Communications)。
氫能是實現(xiàn)我國工業(yè)難減排領(lǐng)域深度脫碳、完成雙碳戰(zhàn)略目標(biāo)及能源體系變革的重要途徑。質(zhì)子膜水(PEM)電解制氫具有環(huán)境友好、電流密度高、響應(yīng)快、耐波動等優(yōu)勢，適合與風(fēng)/光等波動性可再生能源直接耦合，是未來綠氫生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)之一。析氧反應(yīng)在電解制氫中至關(guān)重要，而開發(fā)高效、穩(wěn)定、低成本酸性析氧催化劑仍面臨挑戰(zhàn)。氧化銥是目前最優(yōu)的酸性析氧反應(yīng)催化劑，但銥稀缺性對其大規(guī)模應(yīng)用提出了極高的活性和耐久性要求。氧化銥基催化劑表面重構(gòu)可以拓展表面位點(diǎn)數(shù)量、增強(qiáng)銥氧共價性及其與含氧中間體的結(jié)合，從而提升反應(yīng)活性。但重構(gòu)也會誘發(fā)催化劑表面的無定形化，伴隨晶格氧參與析氧反應(yīng)導(dǎo)致銥過度氧化及溶解問題，并表現(xiàn)為高電位長期運(yùn)行下的活性衰減。
為解決這一活性與穩(wěn)定性之間的矛盾，該研究基于雙重調(diào)控策略，通過在銥鎳氧電催化劑中引入橋聯(lián)銥-氧-鎢橋聯(lián)基團(tuán)，實現(xiàn)對催化劑表面重構(gòu)以及析氧反應(yīng)路徑的調(diào)控優(yōu)化。針對氧化鎢與氧化銥難溶性問題，課題組采用鎳輔助銥鎢電沉積脫合金方法，實現(xiàn)對納米氧化銥原子尺度均勻鎢-氧摻雜，同時通過原位分析結(jié)合理論計算，發(fā)現(xiàn)銥-氧-鎢橋聯(lián)以雙位點(diǎn)協(xié)同機(jī)制高效催化析氧反應(yīng)，可有效抑制晶格氧參與，并可對重構(gòu)過程中過渡金屬刻蝕及反應(yīng)過程中過氧化導(dǎo)致的銥位點(diǎn)氧化態(tài)升高進(jìn)行電荷補(bǔ)償，增強(qiáng)了催化劑穩(wěn)定性。此外，橋聯(lián)氧作為質(zhì)子受體可有效促進(jìn)質(zhì)子轉(zhuǎn)移，解除在酸性電解質(zhì)中質(zhì)子濃度過高導(dǎo)致的關(guān)鍵中間體質(zhì)子化脫除限制，進(jìn)一步提升析氧反應(yīng)活性。該研究實現(xiàn)了重構(gòu)氧化銥基催化劑電化學(xué)性能與穩(wěn)定性雙重提升，并可對酸性電解低成本高性能析氧催化劑的進(jìn)一步設(shè)計提供指導(dǎo)借鑒。
哈工大深圳校區(qū)為論文第一完成單位。陶有堃、深圳大學(xué)特聘研究員邵靜為共同通訊作者。該研究獲國家自然科學(xué)基金及深圳市科技計劃等項目支持。
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