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西安交大最新科研成果为高效且稳定的电解水催化剂设计开辟了新途径

北极星氢能网 来源:交大新闻网    2020/7/6 9:38:18 我要投稿

北极星氢能网讯:电解水被认为是一种可持续的、极具发展前景的产H2策略。通常,电解水通过两个半反应进行:析氧反应(OER)和析氢反应(HER)。实际应用中HER和OER催化剂的有效耦合是非常必要的。尽管已报道了许多耦合催化剂,但仍有一些关键问题需要进一步解决:1)阳极和阴极的催化剂通常在成分上存在很大差异,使制备过程复杂,且由于在电解水过程中可能发生催化剂溶解、再沉积反应,会引起阴极和阳极催化剂相互干扰;2)大部分非贵金属催化剂只能在碱性或中性电解液中使用,在酸性条件下则不稳定,因此缺乏广泛的溶剂适应性。IrO2是少数能在酸性电解液中高效且稳定的电解水催化剂,但由于其氢吸附自由能(ΔGH*)过大,几乎不被用作析氢反应,因此无法构建基于IrO2全解水电解槽。

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针对上述问题,西安交通大学理学院杨生春团队提出通过循环伏安法(CV)调控金属氧化物电子结构使其适用于HER的新策略(J. Mater. Chem. A, 2020, 8, 2090),即通过电化学CV循环,使金属氧化物中的金属阳离子被(部分)还原,引起金属位点上电子密度增大,形成氧空位,进而优化了析氢反应的动力学过程,大大加速析氢反应。同时,CV循环可使对电极上少量的的金属Pt会发生溶解,并迁移沉积在金属氧化物表面,这种微量Pt的沉积为活性物质的吸附/解吸附提供了良好的界面,可极大地提高IrO2在酸性、中性、碱性电解液甚至天然海水中的HER催化性能,使构建全IrO2基的电解池成为可能。这项工作表明原位电化学调控催化剂的表面电子结构为高效且稳定的电解水催化剂设计开辟了新途径,为电解水制氢的工业化应用提供了新策略。

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电化学CV处理及痕量Pt沉积后Pt与IrO2界面电荷差分图(a-d),总态密度(e)和三种催化剂表面的氢吸附自由能变化(f)

该工作以题目“Electrochemically Modifying the Electronic Structure of IrO2Nanoparticles for Overall Electrochemical Water Splitting with Extensive Adaptability”发表在《Advanced Energy Materials》(IF:24.884)上。本文的第一作者和通讯作者分别是理学院博士生李璐,和杨生春教授。西安交通大学是该论文第一署名单位,Thermo Fisher Scientific公司的杨光高级工程师完成了该论文的部分电镜表征和高分辨能谱工作。

Pt-IrO2@CC//IrO2@CC与商用催化剂全解水性能的比较

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该工作得到国家自然科学基金,国家自然科学基金-国家电网公司联合重点项目,中央高校基本科研业务费和博士后基金,西安交通大学-全通新能源汽车联合项目的支持。同时,该项研究中材料结构的表征分析工作得到了西安交通大学大型仪器设备共享实验中心,贾春林科学家工作室以及理学院张晓晶、王力群工程师的支持。

原标题:西安交大科研人员研发基于电化学调控IrO2表面电子结构 用于高性能电解水制氢催化剂

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