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能源催化领域最新进展集锦:电催化析氧反应、析氢反应、分解水

已有 2694 次阅读 2019-4-15 16:27 |个人分类:热点研究|系统分类:博客资讯


01界面工程用于制备高性能氧析出反应电催化剂


电催化氧析出反应(OER)反应在包括电解水、二氧化碳电还原和金属-空气电池在内的诸多能源存储转化技术中都扮演着至关重要的角色。但受限于缓慢的动力学,即使是使用昂贵的催化剂(氧化铱、氧化钌等),驱动OER仍然需要较高的过电位。设计和制备高效廉价的OER电催化剂已经成为了研究热点。界面工程(Interface Engineering)被广泛认为是一种有效调节材料理化属性的策略。但如何利用此策略来实现高效的OER电催化仍然是一大挑战。


近日,中山大学李光琴课题组通过离子交换法制备了泡沫镍负载的NiTe/NiS异质结纳米阵列,并探究了该纳米阵列用于OER的电催化性能。研究结果表明,该异质结纳米阵列具有较高的OER催化活性,在1.0M KOH电解液中,仅需257mV的过电位就能实现电流密度高达100 mA cm-2的高效催化,且Tafel斜率仅为49mV dec-1。实验和理论计算结果表明,NiTe/NiS纳米界面的强电子相互作用可诱导电子结构的优化,调节催化反应中间体*OOH的结合能,从而促进了OER的催化活性。这项研究有助于进一步理解OER中的“构效关系”,也强调了界面工程可用于优化催化性能。


阅读原文

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201900430


02二维电子气和氧空位诱导的高性能氧析出反应电催化剂


在原子尺度上理性设计多相纳米复合材料的界面可用于制备性能优异的催化剂,但仍然面临诸多挑战。南京师范大学戴志晖和包建春课题组将两种具有不同本征属性的金属氧化物——CeO2纳米片和Co3O4纳米立方体结合,形成Co3O4/CeO2纳米复合结构。这种结构不仅具有较高的氧空位浓度,还表现出显著的二维电子气行为(2D electron gas behavior)。这种二维电子气输运通道(transport channel)保障了高达3.8×1014 cm-2的载流子浓度和良好的导电性。研究人员还发现,这种Co3O4/CeO2纳米复合结构有较高的氧析出反应(OER)的电催化活性。在1.0M KOH溶液中,仅需270mV的过电位就能获得10mA cm-2的催化电流密度,优于商业IrO2催化剂。


这项工作不仅使用较为廉价的过渡金属合成了高效的OER催化剂,更表明了通过调制二维电子气可优化金属氧化物的电催化性能,为未来理性设计纳米复合结构催化剂提供了新策略。



阅读原文:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201900062


03钌金单原子合金用于碱性电催化析氢反应


构建能在碱性条件下高效稳定的析氢反应(HER)电催化剂对实现电催化水分解十分重要。现阶段,铂(Pt)基虽然有着较高的活性和稳定性,但却受限于昂贵的成本难以大规模应用。钌(Ru)的成本约为Pt的三十分之一,但也有着较为理想的碱性HER催化活性。基于此,天津大学杜希文和刘辉课题组使用激光烧蚀(laser ablation)法首次合成了钌金单原子合金(RuAn SAA)催化剂,并将其用于碱性条件下的HER电催化。


研究发现,在1.0M KOH电解液中,这种单原子合金仅需24mV的过电位就能达到10mA cm-2的催化电流密度,这远低于同等条件下商用Pt/C催化剂所需的46mV。理论计算表明,在催化过程中,Ru原子可捕捉与裂解水分子,而Au原子则能吸附质子与加速氢气分子的形成,由此使得这种单原子合金催化剂能有较高的催化活性。这项工作不仅报道了一种高效的碱性HER催化剂,也强调了激光烧蚀可作为一种有效的方法使两种较难融合的金属形成单原子合金。


阅读原文:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.201803913


04

溶菌酶辅助合成双功能催化剂用于电催化水分解


发展和制备能同时高效催化析氢反应(HER)和析氧反应(OER)的双功能催化剂在电催化水分解中十分重要。近日,复旦大学吴仁兵课题组使用相转移溶菌酶(phase-transited lysozyme)作为平台,合成了泡沫镍负载的碳包覆氮掺杂四氧化三钴的复合纳米网状结构。这种结构兼具多孔性、表面原子高暴露率、不同组分的强协同作用和三维电极结构等优势。研究人员将这种复合结构同时用作阴极和阳极催化剂,组装成碱性电解池,发现仅需1.40V的驱动电压就能实现10mA cm-2的催化电流密度。这不仅优于同等条件下使用IrO2/C和Pt/C组成的电解池,更创造了新的记录


研究人员强调,这种溶菌酶辅助的合成方法还可推广到更多金属氧化物与碳材料复合结构的合成,可为发展HER/OER双功能催化剂提供了新策略



阅读原文:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.201900272


05

金属掺杂的少层磷烯用于电催化析氢反应


由于较高的比表面积较强的化学稳定性二维材料被广泛认为是具有竞争力的电催化剂,但也仍然面临着吸附能较差活性位点数不足等缺陷。近日,中国科学院深圳先进技术研究院喻学锋课题组报道了一种简单易行的电化学合成法,可在短时间内将块体材料剥离成二维材料的同时进行金属掺杂。以黑磷为例,研究人员分别合成了钴、钼和镍掺杂的二维少层磷烯。得利于增强的电导性、丰富的金属-磷催化活性位点和优化的吸附能,这些金属掺杂的磷烯相比于未参杂的磷烯表现出更佳的电催化析氢反应(HER)活性和稳定性。特别地,钴掺杂的少层磷烯性能最佳,在0.5M H2SO4电解液中,起始电位仅为0.133V (vs. RHE)。这种电化学合成手段为大规模快速制备二维电催化剂提供了新思路。



阅读原文:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smtd.201900083




http://blog.sciencenet.cn/blog-822310-1173442.html

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