北化孙晓明课题组Small:Pt团簇/磷化镍铁钴超1000小时安培级电解海水制氢

文摘   2024-09-24 09:30   北京  

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第一作者:周琳琳

通讯作者:邝允,周道金

通讯单位:

北京化工大学

Do

i: 

10.1002/smll.202406076


1. 全文速览

在碱性模拟海水电解液中,铂团簇/磷化镍铁钴催化剂在安培级电流密度下表现出优异的析氢活性(η10=19.7 mV,-0.15 VRHEPt质量活性是商业Pt/C的20.8倍)和稳定性(>1000 h),为海水电解可持续制氢催化剂的设计提供了指导。

2. 背景介绍

海水占地球水资源的96%以上,这使得海水电解成为碳中性氢的极具潜力途径。另外,近年来海上风电发展迅速(截至2023年装机量达75.2 GW),但是电网整合方面的挑战仍然存在。因此,由海上风能提供动力的原位海水电解成为支持可再生能源的一种创新方法。铂拥有最佳的H*吸附能,但是由于Pt颗粒与碳载体之间的相互作用较弱,商用Pt/C催化剂的Pt利用率较低,稳定性较差。可以尺寸小于2 nm的Pt纳米团簇不仅可以减少贵金属的使用,还可以通过利用不连续能级和量子尺寸效应显著提高催化活性。团簇与基底之间的强金属支撑相互作用也增强了Pt团簇的电子性能和电化学活性,有助于克服工业电流密度下商业催化剂贵金属质量活性低和稳定性差的阻碍。

3. 本文亮点

本工作将铂纳米团簇负载在磷化镍铁钴纳米片阵列上,在碱性海水中表现出优异的析氢反应活性和稳定性。在碱性模拟海水溶液中η10=19.7 mV,-0.15 VRHE时Pt质量活性是商业Pt/C的20.8倍;而在5倍于海水NaCl浓度的碱性电解液中,催化剂的HER过电位降至8.3 mV。并1 A cm-2下稳定电解超1000小时。x射线光电子能谱(XPS)、原位电化学阻抗谱(EIS)和原位拉曼研究表明,通过强金属-载体相互作用,促进了基底与铂团簇转移电子和电荷,从而增加了H*的覆盖度;同时,基底上高价Co位点加速了水解离。

4. 图文解析

1 Pt@NiFeCo-P的结构表征。

通过三步法合成了Pt@NiFeCo-P,负载后Pt团簇的平均尺寸为1.29 nm。

2 Pt@NiFeCo-P的化学成分分析。

Pt团簇负载后Pt2+的比例增加,基底中Co的价态升高,Pt簇和NiFeCo-P阵列间存在强金属-基底相互作用。

3 电化学活性评价。

Pt@NiFeCo-P在1 M NaOH+0.5 M NaCl电解液中,η10=19.7 mV;在1 M NaOH+2.5 M NaCl电解液中,η10=8.2 mV。Tafel斜率证明Pt@NiFeCo-P遵循Volmer-Tafel机制。并在1 M NaOH+0.5 M NaCl电解液中稳定电解超1000小时。

4 机理探究。

与商业Pt/C相比,Pt@NiFeCo-P具有更快的更快的电荷转移动力学。波德图表明Pt@NiFeCo-P遵循 Volmer-Tafel 机制,且Pt团簇和磷化物基底的结合促进了Pt活性位点/电解质界面处的电荷转移,从而刺激了Pt活性位点/电解质界面的电荷转移动力学。拉曼光谱证明吸附氢在Pt团簇表面的高覆盖度。

5. 总结与展望

本工作成功地开发了一种Pt@NiFeCo-P电催化剂,它利用了强金属-载体相互作用效应和高价钴位点,在碱性盐水电解质中表现出出色的HER活性和稳定性。Pt@NiFeCo-P在-10 mA cm-2下具有19.7 mV的低过电位,Pt质量活性比商业Pt/C高20.8倍,同时在模拟海水的碱性溶液中在1 A cm-2下具有超过1000小时的优异稳定性。本工作进一步证明了强金属-衬底相互作用的高效率,对推动清洁能源的开发和利用具有重要的科学意义和应用价值。

6. 课题组介绍

北京化工大学化学学院“纳米化学(Nanochem)”课题组孙晓明教授,北京化工大学化学学院教授、博士生导师。主要从事无机纳米材料化学研究,在电解水、燃料电池和气体超浸润电极器件领域取得进展。正在及曾经主持的科研项目包括国家自然科学基金国际合作重点项目、国家杰出青年基金项目、国家“973”计划课题、国家自然科学基金面上项目等。其中以第一作者及通讯联系人身份在Nature Catalysis, Proc. Natl Acad. Sci., Nat. Commun., Joule, Angew. Chem., JACS, Adv. Mater.等国际刊物发表论文200篇,总引用47000余次,H因子105。获国家发明专利授权30+项,申请国际专利8项。于2015年-2023年被艾斯维尔出版社及评为高引用学者,受邀担任Sci Bull杂志副主编和多个国际刊物编委。

邝允教授(共同)通讯或第一作者的身份在Nat.Commun.(2)、PNAS(1)、JACS(2)、Angew(5)、Joule(1)、Chem(1)、Research(1)、Nano Res.(4)等专业学术期刊发表文章 40余篇,其中5篇文章入选ESI高被引论文,受邀写Chem.Soc.Rev.综述一篇。授权发明专利17项,其中两项专利已实现产业化转化。所发展的电解海水制技术经中国可再生能源学会组织专家鉴定,技术整体达到国际领先水平,荣获中国可再生能源学会技术发明一等奖,相关技术在深圳能源集团、中国海洋石油集团、中国广核集团开展产业示范验证,研究成果被失视《新闻联播》、新华网、科技日报、中国科学报、中国科学院、基金委(网站)、Forbes等国内外知名媒体的广泛报道。

周道金教授 2020年2月以来以副教授身份任职于北京化工大学化学学院,目前以(共同)第一作者及通讯作者在国际知名期刊 Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Ed., Chem. Soc. Rev.,等发表文章 30 余篇,他引超过 3000次,获授权专利2项。目前以项目负责人的身份主持或完成国家自然科学基金面上项目、青年基金,北京市自然科学基金青年项目、河北省重点研发项目等7项;以项目骨干身份参加国家重点研发计划2项。2022 年获得中国科协青年人才托举工程第八届(2022-2024年度)项目资助;2022年获得中国可再生能源学会技术发明奖一等奖。

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