新材料學(xué)院發(fā)現(xiàn)催化劑的電子推與拉作用提升水分解制氫氣
新材料學(xué)院發(fā)現(xiàn)催化劑的電子推與拉作用提升水分解制氫氣
電解水、光解水或光電解水制氫具有資源豐富、可循環(huán)、可持續(xù)及可與多種儲(chǔ)能設(shè)備結(jié)合等優(yōu)勢(shì)，是實(shí)現(xiàn)清潔能源和氫能經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要路徑。但電化學(xué)分解水過(guò)程中陽(yáng)極氧析出反應(yīng)（Oxygen evolution reaction, OER）和陰極過(guò)程氫析出反應(yīng)（Hydrogen evolution reaction, HER）均具有較高的過(guò)電勢(shì)，是阻礙電化學(xué)水分解制氫的關(guān)鍵因素。貴金屬Pt、Ru和Ir等合金及化合物催化性能優(yōu)越，但其昂貴的價(jià)格及稀缺性制約了其大規(guī)模應(yīng)用。因此，發(fā)展可替代的非貴金屬催化劑材料成為近幾年的研究熱點(diǎn)。
最近，北京大學(xué)深圳研究生院新材料學(xué)院潘鋒教授課題組在鎳基非貴金屬催化劑材料中首次發(fā)現(xiàn)堿性介質(zhì)中Co和Fe摻雜對(duì)Ni催化位點(diǎn)的電子推拉作用及對(duì)HER和OER過(guò)程的影響機(jī)制，該研究成果以封面文章發(fā)表在近期的國(guó)際材料領(lǐng)域頂級(jí)科研期刊ACS Catalysis (ACS Catal. 2018, 8, 5621?5629, 影響因子IF=10.6)上。
圖一 Ni基催化劑1M KOH中的OER/HER性能。OER過(guò)程η10（j=10mA·cm-2時(shí)的過(guò)電位）（A）和Tafel斜率（B）隨Fe和Co摻雜含量的變化圖；HER過(guò)程η10（C）和Tafel斜率（D）隨Fe和Co摻雜含量的變化圖
研究團(tuán)隊(duì)在研發(fā)過(guò)程中綜合采用了循環(huán)伏安（CV）和X射線光電子能譜（XPS）分析方法，系統(tǒng)的研究了Ni活性位點(diǎn)的氧化還原峰位（Ni(OH)2/NiOOH）、電子價(jià)態(tài)（Ni2+/Ni3+比值）及OH-與活性位點(diǎn)之間結(jié)合能（Binding energy）隨Co和Fe摻雜量的不同而產(chǎn)生的變化，歸納總結(jié)出Co和Fe摻雜對(duì)Ni活性位點(diǎn)的電子推拉作用機(jī)制，及對(duì)催化劑表面離子吸附和電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程的影響。Fe的拉電子作用對(duì)OER過(guò)程有利，而Co的推電子過(guò)程對(duì)HER過(guò)程有利，這對(duì)鎳基非貴金屬催化劑OER和HER性能的精確調(diào)控提供了有力的數(shù)據(jù)和理論支撐，同時(shí)該材料設(shè)計(jì)理念對(duì)其他能源和催化領(lǐng)域也具有廣泛的借鑒價(jià)值。
圖二 （a）Fe摻雜的拉電子作用對(duì)OER性能影響機(jī)理，（b）Co摻雜的推電子作用對(duì)HER性能影響機(jī)理，（c）全電解池在10和50 mAcm-2條件下水分解的電解槽槽壓和（d）50h的穩(wěn)定性曲線
該工作在潘鋒教授指導(dǎo)下，由北京大學(xué)新材料學(xué)院趙慶賀和楊金龍博士后為共同一作與團(tuán)隊(duì)協(xié)作共同完成。
該工作的順利開展得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)博士后科學(xué)基金、國(guó)家材料基因組計(jì)劃和深圳市科技創(chuàng)新基礎(chǔ)項(xiàng)目的支持。
文章鏈接：https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acscatal.8b01567
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