DOI: 10.1002/aenm.202403009
研究背景
近日，来自上海理工大学的郝伟举副教授、范金辰教授、李贵生教授与上海师范大学的李和兴教授合作，在国际知名期刊Advance Energy Materials上发表题为“Surface Corrosion-Resistant and Multi-Scenario MoNiP Electrode for Efficient Industrial-Scale Seawater Splitting”的观点文章。该观点文章分析了电极在催化海水制氢、制氧过程中的不稳定因素，设计耐海水腐蚀、多场景应用的催化电极。
图文解析
图 1 MoNiP自支撑电极的设计及表征
图 2 自支撑电极实现工业级海水催化
基于催化电极自组装的三维纳米微球形貌、高导电性以及结合能大面积快速制备的优势，采用标准三电极体系，在1.0 M KOH+0.5 M NaCl溶液中测试了电催化性能。催化电极实现优异的析氢反应、析氧反应以及全海水分解的催化活性，90%iR矫正的LSV曲线表明，Mo-NiP@NF分别仅需1.54V、1.84V和1.96V的电压即可达到100 mA cm-2、500 mA cm-2和1000 mA cm-2的工业级大电流密度，展现出当前优异的催化活性，通过催化真实海水（中国上海市浦东新区东海口岸(31.13N, 121.46E），持续催化1500 h左右，仍保持较优异的稳定性及活性。我们基于高活性高稳定催化电极，通过太阳能电池组与该PEM槽串联，组装了一个便携式电解水产氧一体机模型。通过PEM槽电解水生产氢气和氧气。基于Mo-NiP@NF的电解槽组装的一体化制氧机可实现320 mL min-1的产氢速率和160 mL min-1的产氧速率，实现初步制氧制氢机 模型开发。
图 3 耐海水腐蚀的机制探究
高本征活性高耐腐蚀的催化电极，其根本催化机制及原因在于：Mo-NiP@NF在碱性整体海水裂解中表现出高活性，在高电流密度下具有长期稳定性。这种性能可归因于三个因素：（Ⅰ）钼的引入有助于原位重建Mo-NiP@NF在电化学过程中，预催化剂电极转化为Ni（OH）₂相和NiOOH/NiOO物种，作为催化水分解的真正活性物种；（Ⅱ）原位氧化产生POxδ-和MoOxδ-阴离子，有效防止电极的Cl-腐蚀。
图 4 多场景应用的固态催化
固体储氢材料因其安全性和易于装载被认为是理想的储氢材料，实现此类储氢材料如硼氢化钠（NaBH4）水解制氢是当前能源领域热点话题之一。设计的催化电极通过微量的钌负载，可实现单位时间接近11 L min-1氢气的释放，更重要的我们模拟各种特殊环境下的应用，包括真实海水、生活污水、尿液等环境下的催化硼氢化钠制氢，均实现高效的催化活性，设计的电极在循环6个小时催化下，也实现优异的稳定性，当前该工艺已通过中国计量单位“CMA”认证，可实现批量12片，直径3 cm，5cm，8cm及12 cm的自支撑电极的制备。
总结与展望
本工作通过温和(323 K)化学镀工艺，在泡沫镍(NF)上原位负载异质元素Mo调控的NiP合成Mo-NiP@NF多功能材料。优化的电子结构实现增强的反应动力学，实现高活性催化，其原位形成的钼酸根离子、磷酸根离子实现催化海水过程中的腐蚀性问题，更重要的大面积催化片组装的硼氢化钠水解产氢设备偶联氢燃料电池实现3kW连续输出功率，模拟海水、模拟尿液、雨水及真实海水等多种极端环境中高效产氢。本工作通过温和可控的方法制备非贵金属材料实现多场景、高活性、长稳定的绿色能源转换，展示了一种可持续的创新策略和优化方案。
作者介绍
范金辰教授简介： 主要从事能源催化材料研究，聚焦电催化、光催化和储能电池电极材料的结构设计和表界面性质调控，先后主持国家/省部级等各类科研项目10多项，其中包括国家自然科学基金面上项目，青年科学基金项目，上海市自然科学基金面上项目，先后入选上海市青年科技启明星计划，上海市青年科技英才扬帆计划，上海市教委晨光计划，上海高校青年教师培养资助计划，参与国家自然科学基金重大研究计划、上海市科委纳米重点专项等项目研究。围绕能源转化利用和新能源技术，在Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、ACS Nano、Adv. Funct. Mater.、Small、Appl. Catal. B-Environ、J. Mater. Chem. A、J. Energy Chem.等重要学术期刊发表SCI论文150余篇，其中第一作者及通讯作者论文近80篇，ESI 高被引论文9篇，他引5800余次，H-index指数40，申请中国发明专利15项，授权8项。
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李贵生教授简介： 以通讯或第一作者身份在环境与能源各类重要国际SCI期刊上发表了近100余篇高质量论文，包括J. Am. Chem. Soc., Environ. Sci. Technol., Adv. Func. Mater., Appl. Catal. B-Environ., Nano Energy等，其中有15篇论文入选全球引用前1%ESI高被引论文，一篇入选1‰ESI高被引论文，同行他引用达7800余次，h-因子为48。目前完成及主持国家自然科学基金青年、面上项目共计5项，获得中国专利授权11项，获上海市自然科学二等奖(排名第一)，全球前2%“终身影响力顶尖科学家”和“2023年度全球前2%年度影响力顶尖科学家”。在人才培养方面也取得显著成绩，共计培养20名硕士研究生，多人次获研究生国家奖学金，1人获上海市优秀硕士论文成果奖，其中多人赴海外攻读博士学位（香港大学2人、日本大阪大学1人、日本早稻田大学1人、东京大学1人，京都大学1人，韩国浦项大学1人），目前多名毕业生进入国内高校担任教职。
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郝伟举副教授：主要从事催化纳米材料用于催化析氯、析氢、析氧的研究。设计催化电极材料主要围绕过渡金属硼化物、磷化物、合金电催化材料的研究与应用开展。围绕催化材料获上海市自然科学基金面上项目（2023年）、国家青年基金（2022年），上海市科技英才“扬帆计划”（2020年）、苏州大学国家重点实验室开放课题（2022年），“上海理工大学-思学计划（2020年）/志远计划（2023年）/乘风计划（2023年）资助”、“中国博士后基金一等资助”（2018年）等。已开发的高效稳定的合金钛催化电极应用于公司的氯离子氧化处理，同时制备的催化材料，已获中国质量“CMA”认证。当前成果已与“苏州坤泰机械有限公司”“复旦大学军工产业项目”“山东康辉水处理设备有限公司”紧密合作。设计的纳米材料高效催化制氢开展研究，相关成果发表在本领域代表性中科院一区期刊上，包括Energy Environ. Sci., Adv. Energy Mater., Appl. Catal. B: Environ, JEC, Small, Chem.Eng.J, J. Mater. Chem. A, Green Chem等杂志，近几年以第一作者及通讯作者的身份发表SCI论文40余篇，其中影响因子（IF）大于20的3篇，IF>10的19篇。围绕应用型电极材料，申请发明型专利6项，其中已授权2项。
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