武漢理工大學(xué)新聞經(jīng)緯 2020-06-12 材料復(fù)合新技術(shù)國家重點實驗室 2020-06-10
近日，我校材料復(fù)合新技術(shù)國家重點實驗室木士春教授課題組聯(lián)合廣東佛山仙湖實驗室在磷化物電解水制氫領(lǐng)域又取得重要進展，研究成果已在國際能源材料頂級刊物《先進能源材料》（Advanced Energy Materials）上在線發(fā)表，目前已持續(xù)成為水分解等研究領(lǐng)域的熱點論文。
氫能作為一種新型綠色能源受到了研究者的廣泛關(guān)注。在現(xiàn)有的制氫技術(shù)中，電解水制氫因具有綠色、氫純度高和可持續(xù)等特點被認為是一種非常有吸引力的制氫方法。而開發(fā)高效的析氫反應(yīng)（OER）和析氫反應(yīng)（HER）雙功能電催化劑是電解水制氫技術(shù)的關(guān)鍵。過渡金屬磷化物（TMPs）作為一類間隙化合物，具有高的導(dǎo)電性、電催化活性及電化學(xué)穩(wěn)定性，被認為是未來非Pt催化劑的理想材料之一。近五年來，木士春教授課題組在磷化物電解水制氫催化劑的設(shè)計、構(gòu)筑及電催化性能方面開展了大量的研究工作，已在Angew Chem Int Ed、Energy Environ Sci、Adv Energy Mater、Adv Funct Mater、Nano Energy、J Catal等國際權(quán)威期刊上發(fā)表20余篇相關(guān)高質(zhì)量論文。此外，在實際應(yīng)用中，電解水制氫一直受到電能的限制。考慮到太陽能的豐富性，建立以磷化物為催化劑的太陽能制氫系統(tǒng)是未來電解水制氫技術(shù)發(fā)展的重要方向之一。
在此基礎(chǔ)上，最近，他們在泡沫鎳上原位生長出類普魯士藍（PBA），經(jīng)載Ru和高溫磷化處理后獲得具有超低Ru含量的Ru-MnFeP/NF催化劑。在堿性條件下，制備得到的Ru-MnFeP/NF展現(xiàn)出了較低的HER（35 mV @ 10mA cm-2）和OER（191mV @ 20mA cm-2）過電位。這是因為Ru的引入增加了催化材料的導(dǎo)電性及組分間的協(xié)同作用，從而改善含氫和含氧中間體的吸附過程。因此, 當將其作為雙功能催化劑組裝成電解槽時，僅需1.47 V的超低電壓就可以達到10 mA cm-2的電流密度。這是迄今報道的最低水分解電壓值之一。更重要的是，他們利用該全水解裝置成功構(gòu)建和演示了太陽能制氫系統(tǒng)，使Ru-MnFeP/NF催化劑的規(guī)模化應(yīng)用成為了可能。此外，該催化劑還具有優(yōu)異的穩(wěn)定性和近乎100%的法拉第效率。值得注意的是，Ru作為Pt族的一員，具有類Pt的析氫活性和高于Pt的析氧活性，而且價格僅為Pt的4%，非常具有商業(yè)吸引力。毫無疑問，這項研究成果將有助于開發(fā)環(huán)境友好的氫能和低成本、高效的電化學(xué)能量轉(zhuǎn)換裝置。
論文第一作者為碩士研究生陳釘，通訊作者為木士春教授。武漢理工大學(xué)納微結(jié)構(gòu)研究中心吳勁松教授和胡執(zhí)一副研究員等研究人員協(xié)助完成了催化劑的球差電鏡表征工作。該項研究獲得了國家自然科學(xué)基金（No.51672204）及國家重點研發(fā)計劃（No. 2016YFA0202603）等項目的支持。 
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/aenm.202000814