西湖大學(xué)電解水制氫催化劑新突破
【化工儀器網(wǎng) 項(xiàng)目成果】在“雙碳”背景下，電解水制氫作為實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵技術(shù)之一，備受關(guān)注。其中，陰離子交換膜電解水制氫(AEM-WE)因其結(jié)合了堿性電解水制氫(AWE)和質(zhì)子交換膜電解水制氫(PEM-WE)的優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是最具潛力實(shí)現(xiàn)低成本、高效率制綠氫的工藝。然而，AEM-WE技術(shù)的大規(guī)模工業(yè)化進(jìn)程一直受制于電極材料難以在大電流密度下長期穩(wěn)定運(yùn)行的問題，尤其是涉及氧氣析出反應(yīng)(OER)的陽極側(cè)催化劑材料。
西湖大學(xué)人工光合作用與太陽能燃料中心教授孫立成團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種新型非貴金屬催化劑CAPist-L1的制備工藝，即向溶液中人為引入不溶納米顆粒，在常溫、常壓條件下通過簡單浸泡法，一步合成非貴金屬催化劑——CAPist-L1。
研究團(tuán)隊(duì)利用金屬無機(jī)鹽在水中和有機(jī)試劑中的溶解度差異，將硝酸鎳的異丙醇溶液和硫酸亞鐵的水溶液混合，得到含豐富納米顆粒的非均勻液相體系。進(jìn)一步地，在這一體系中沒入泡沫鎳，在常溫、常壓條件下浸泡24小時(shí)，即可獲得CAPist-L1催化劑。
CAPist-L1的制備過程簡易、成本低廉、可重復(fù)度高且易放大化制備，是一種含鎳鐵金屬、硫酸根、氫氧根和水分子的層狀雙金屬氫氧化物(LDH)結(jié)構(gòu)。通過電化學(xué)分析，CAPist-L1在1000 mA cm-2的電流密度下過電位僅為220±4.5 mV，低于常規(guī)的NiFe-LDH催化劑和商業(yè)化IrO2催化劑。更為關(guān)鍵的是，CAPist-L1在1000 mA cm-2電流密度下可穩(wěn)定運(yùn)行超過19000小時(shí)，展現(xiàn)出極高的電化學(xué)穩(wěn)定性和催化效率。
CAPist-L1的高活性和高穩(wěn)定性主要源自于一層致密過渡層的存在。這層過渡層介于催化劑層和金屬基底之間，將催化劑層牢牢地錨定在金屬基底上，不僅大大增強(qiáng)了催化劑整體的機(jī)械穩(wěn)定性，還降低了催化結(jié)構(gòu)與基底的接觸阻抗，從而整體提升了催化劑的活性和穩(wěn)定性。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，過渡層并非在CAPist-L1形成初期產(chǎn)生，而是在浸泡4小時(shí)后才開始緩慢出現(xiàn)，這一發(fā)現(xiàn)為理解催化劑的生長機(jī)制提供了重要線索。
CAPist-L1在1000 mA cm^-2的電流密度下已穩(wěn)定運(yùn)行超過19000小時(shí)，至今還未出現(xiàn)衰退的跡象。此外，研究團(tuán)隊(duì)將CAPist-L1作為陽極催化劑應(yīng)用于陰離子交換膜電解水制氫中，展現(xiàn)出優(yōu)秀的制氫活性，即在1.8 伏的電壓下達(dá)到2000 mA cm^-2的電流密度。這意味著陰離子交換膜電解水制氫技術(shù)的短板終于被補(bǔ)上了，研究為高效制造綠色氫氣提供了可能。
相關(guān)研究成果Seed-assisted formation of NiFe anode catalysts for anion exchange membrane water electrolysis at industrial-scale current density于近日發(fā)表在《自然—催化Nature Catalysis》。
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