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高传博教授课题组在电解水制氢关键催化材料方面取得新进展
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分类:  创建于:2022-10-18 被查看:1221次
为实现国家“双碳”目标,满足现代社会对于清洁能源的需求,寻求高效的清洁能源生产变得尤为重要。电解水制氢是绿氢制备领域最有前景的途径之一,是未来可再生能源工业链条上的重要环节。目前,电解水制氢仍存在较高的电耗成本,是该技术转向大规模工业应用所面临的主要难题。究其原因,电解水的阳极析氧反应(OER)是一个涉及四电子转移的迟滞的化学反应过程,通常需要施加较高的过电势以驱动反应的进行,从而造成严重的电能损耗。因此,发展高效的析氧反应催化剂是降低电解水制氢成本的重要途径。过渡金属氢氧化物被认为是碱性条件下析氧反应最优的催化剂体系。在析氧反应中,过渡金属演化为高价物种,是OER的活性位点。然而,目前缺乏对于过渡金属高价物种形成过程的有效调控,这也成为该催化剂技术的瓶颈问题。

图1. NiFeB氢氧化物电解水OER催化剂的合成、催化性能和机理示意图

针对这一问题,西安交通大学前沿院高传博教授课题组发展了基于硼元素(B)掺杂的镍(Ni)价态演化调控策略,利用硼元素固有的缺电子性,促进了镍中心失电子的价态演化过程,使高价活性物种能在低电势下形成,显著提升了镍铁氢氧化物催化剂的OER性能。拉曼光谱、X射线吸收光谱和电化学测试结果证实了硼元素在镍的价态演化过程中起到了关键作用。密度泛函理论计算证实了硼与镍之间的电子相互作用。基于该原理,该团队合成的NiFeB氢氧化物纳米片在252 mV过电势下即可达到100 mA cm−2的OER电流密度,显著优于迄今报道的大多数镍基催化剂的催化性能。这项研究为高效OER催化剂的设计和实现提供了理论指导,为电解水制氢的工业化进程提供了技术积累。

上述研究成果以《促进单层镍铁硼氢氧化物纳米片中镍的价态演化实现高效析氧性能》(Promoting nickel oxidation state transitions in single-layer NiFeB hydroxide nanosheets for efficient oxygen evolution)为题发表在《自然通讯》(Nature Communications)。西安交通大学为该工作的第一完成单位,西安交通大学前沿院博士生白雨珂和苏州大学硕士生吴宇为论文的共同第一作者。


图2. 研究团队在《科学》上发表观点论文

该研究团队持续关注贵金属和过渡金属基纳米材料的精准合成及其在能源转化关键反应中的催化性质,研究成果得到了国际相关研究领域的关注与高度认可。近日,受《科学》(Science) 杂志邀请,高传博教授与上海科技大学Osamu Terasaki教授近日合作发表了观点论文(Perspective),针对金属纳米粒子带电状态的精准测定这一领域的最新技术进行了介绍,解读了金属纳米粒子的带电状态与其催化性质之间的关系,对该技术的未来发展方向进行了展望。


文章1链接:https://www.nature.com/articles/s41467-022-33846-0

文章2链接:https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade6051

课题组主页:http://gaochuanbo.gr.xjtu.edu.cn
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