我科研團隊開發(fā)出低成本高效析氫電催化劑
4月13日,記者從中國科學院青島生物能源與過程研究所獲悉,該所江河清研究員帶領(lǐng)的膜分離與催化研究組與中國海洋大學等單位合作開發(fā)出一種氮摻雜介孔碳負載Ru(釕)單原子和納米團簇催化劑(NMC-RuSA+NC),相關(guān)研究成果發(fā)表在《應用催化B:環(huán)境》期刊上。該研究所聯(lián)合培養(yǎng)研究生姚涵旭為第一作者,通訊作者是該研究所江河清和中國海洋大學黃明華教授。
氮摻雜介孔碳負載Ru單原子和納米團簇催化劑NMC-RuSA+NC?圖/姚涵旭
開發(fā)高效、穩(wěn)定、經(jīng)濟的電催化劑對電解水制氫的發(fā)展至關(guān)重要。鑒于Ru具有成本相對低廉和適宜的金屬-氫鍵強度,Ru基析氫電催化劑引起了廣泛關(guān)注,其中構(gòu)建多耦合活性位點已被認為是促進析氫動力學的有效途徑。但是在提高催化劑質(zhì)量活性時,如何同時實現(xiàn)高通量制氫成為催化劑設計的瓶頸問題。
記者了解到,科研人員研究發(fā)現(xiàn)催化劑中Ru主要以單原子RuN4結(jié)構(gòu)以及Ru納米團簇的形式存在,二者之間存在電子轉(zhuǎn)移現(xiàn)象。密度泛函理論計算結(jié)果表明,Ru納米團簇和Ru單原子之間的強電子耦合效應不僅加速了水的解離過程,而且優(yōu)化了金屬對H*的吸附強度,從而提高了催化析氫活性。此外,該催化劑的分等級多孔結(jié)構(gòu)可以加速反應物到活性位點的傳輸,并及時釋放生成的氫氣。得益于獨特的分等級多孔結(jié)構(gòu)和強電子耦合效應,所開發(fā)的催化劑在堿性和酸性條件下表現(xiàn)出優(yōu)異的電催化析氫性能,并能夠在低過電位下實現(xiàn)工業(yè)化水平的大電流密度(>500mA/cm2)。
據(jù)科研人員介紹,本工作也探究催化劑實際工業(yè)化的應用前景,所開發(fā)的NMC-RuSA+NC催化劑具有比商業(yè)Pt/C催化劑更高的質(zhì)量活性和更低的制氫成本,展示了其在工業(yè)電解水制氫中的應用潛力,為高通量低成本析氫電催化劑的設計提供了新的見解和思路。
關(guān)鍵詞: 活性位點 中國海洋大學 多孔結(jié)構(gòu) 氫動力學 結(jié)果表明
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