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化學(xué)所開發(fā)出新型高效電解水催化劑

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化學(xué)所開發(fā)出新型高效電解水催化劑

摘要: 　　氫能是一種理想的能源載體，開發(fā)大規(guī)模、便宜、清潔、高效的制氫技術(shù)是氫能有效利用的關(guān)鍵。電解水由于環(huán)境友好、產(chǎn)品純度高以及無碳排放而成為具有應(yīng)用前景的綠色制氫方法之一。限制電解水制氫大規(guī)模應(yīng)用的最重 ...

　　氫能是一種理想的能源載體，開發(fā)大規(guī)模、便宜、清潔、高效的制氫技術(shù)是氫能有效利用的關(guān)鍵。電解水由于環(huán)境友好、產(chǎn)品純度高以及無碳排放而成為具有應(yīng)用前景的綠色制氫方法之一。限制電解水制氫大規(guī)模應(yīng)用的最重要瓶頸是如何大幅降低其電能消耗，因而大幅降低制氫成本。其關(guān)鍵是如何有效降低電極上析氧反應(yīng)(OER)和析氫反應(yīng)(HER)的過電位，實現(xiàn)在低槽壓下的大電流產(chǎn)氫。因此，發(fā)展便宜、易制備的高效電解水催化劑備受關(guān)注。
　　在國家自然科學(xué)基金委、科技部和中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項的支持下，中科院化學(xué)學(xué)習(xí)所分子納米結(jié)構(gòu)與納米技術(shù)重點實驗室學(xué)習(xí)員胡勁松課題組科研人員在氫能的清潔獲取與應(yīng)用學(xué)習(xí)方面開展了系列學(xué)習(xí)（ACS Nano 2016， 10， 851; Nano Energy 2016， 28， 319; Adv. Sci. 2017， 4， 1700084; J. Am. Chem. Soc. 2016， 138， 3570）。最近，他們針對電解水過程中陽極析氧反應(yīng)比動力學(xué)緩慢、過電位高的問題，學(xué)習(xí)發(fā)現(xiàn)通過對原本活性不高但制備過程環(huán)境友好的析氧催化劑進行微觀形貌以及電子結(jié)構(gòu)的調(diào)控，可以大幅提升其電催化析氧活性與穩(wěn)定性，為拓展電解水電極材料的選擇提供了另一種途徑。他們學(xué)習(xí)發(fā)現(xiàn)硼酸鎳(II)(Ni3(BO3)2)納米催化劑的電催化析氧性能與其結(jié)晶度密切相關(guān)，并通過調(diào)控其結(jié)晶度，首次獲得了OER性能優(yōu)異的新型硼酸鎳(II)析氧電催化劑(圖1)。這一通過調(diào)控電催化劑結(jié)晶程度來精細調(diào)控電催化劑性能的學(xué)習(xí)結(jié)果為開發(fā)新型低成本、高效電催化劑提供了嶄新的思路。相關(guān)學(xué)習(xí)結(jié)果于近期發(fā)表在Angew. Chem. Int. Ed. 2017， 56， 6572上，并被物理化學(xué)學(xué)報以highlight形式報道。
　　此外，堿式碳酸鹽制備方法簡單、經(jīng)濟、環(huán)保，但其電催化分解水的性能不佳。科研人員近日學(xué)習(xí)發(fā)現(xiàn)通過向堿式碳酸鈷中引入錳，實現(xiàn)對其微觀形貌和電子結(jié)構(gòu)的雙重調(diào)控，可以大幅度提升其電催化分解水性能，使原本沒有應(yīng)用前景的堿式碳酸鹽類材料成為可與最近報道的高性能硫化物、磷化物等媲美的、可在大電流下工作的新型雙功能全水分解電催化劑(圖2)。這一學(xué)習(xí)不僅拓寬了低成本高效電解水催化劑的選擇范圍，而且有助于理解催化劑的構(gòu)效關(guān)系，為開發(fā)新型、環(huán)境友好、可實際工作的高效低成本電催化劑提供了新的思路。相關(guān)學(xué)習(xí)結(jié)果發(fā)表在J. Am. Chem. Soc. 2017， 139， 8320上。



　　圖1 (a-b) 局部結(jié)晶的Ni3(BO3)2包覆Ni3B納米顆粒(pc-Ni-Bi@NB)的TEM照片；(c) pc-Ni-Bi@NB與文獻報道催化劑的OER活性比較圖；(d-e) 不同結(jié)晶度Ni3(BO3)2包覆Ni3B的電催化析氧TOF曲線及在過電位300 mV處的TOF值(1：非晶；2-5：結(jié)晶程度依次增加)。



　　圖2 (a) 錳摻雜堿式碳酸鈷(CoxMnyCH)納米片陣列電解水催化劑的示意圖；(b) CoxMnyCH催化劑的電化學(xué)活性面積與Co/Mn比例的關(guān)系圖；(c) CoxMnyCH催化劑的析氧極化曲線；(d) CoxMnyCH催化劑的析氫極化曲線。化學(xué)所開發(fā)出新型高效電解水催化劑  |  責(zé)任編輯：蟲子
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