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| 中國海洋大學在工業(yè)級電解水制氫方面取得新進展 |
| http://www.netislanduk.com 2024年9月5日 來源：華禹教育網(wǎng) |
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近日，中國海洋大學化學化工學院孟祥超教授課題組在國際頂尖期刊Nature communications（《自然-通訊》）上發(fā)表了題為“Engineering active and robust alloy-based electrocatalyst by rapid Joule-heating toward ampere-level hydrogen evolution”（快速焦耳加熱構建高效穩(wěn)定合金電催化劑實現(xiàn)安培級制氫）的研究論文。
氫能作為一種零碳、高熱值的清潔能源，在全球能源轉(zhuǎn)型和應對氣候變化方面扮演重要角色。按照制氫的三種方法，氫能分為灰氫、藍氫、綠氫。其中，以可再生能源電解水制氫為代表的綠氫在生產(chǎn)過程中不產(chǎn)生CO2等溫室氣體，被廣泛視為實現(xiàn)碳中和目標的重要路徑之一。陰離子交換膜（AEM）制氫技術被認為是集堿性電解水（ALK）與質(zhì)子交換膜電解水（PEM）優(yōu)勢于一體的第三代電解水制氫技術，具有高效率、低成本、快速啟停等優(yōu)勢，但在大電流密度下電解槽系統(tǒng)活性和穩(wěn)定性不足限制了其產(chǎn)業(yè)化應用。因此，開發(fā)大電流密度下高活性、性能穩(wěn)定的堿性析氫催化劑是AEM制氫技術亟待解決的核心問題之一。
過渡金屬Mo基合金因其可調(diào)的化學組成、電子結(jié)構以及高度的穩(wěn)定性，被廣泛研究并用作析氫電催化劑。通常，在合成過程中，高溫（> 1300 K）能夠促進合金的形成，為原子分散提供活化能，但也容易引起熱力學驅(qū)動的原子聚集，進而影響電化學活性與穩(wěn)定性。基于此，中國海洋大學孟祥超教授課題組提出了利用快速焦耳加熱技術精準誘導RuMo合金的形成，實現(xiàn)了RuMo納米合金在MoO2基底的高分散性構筑，從而合成高活性、高穩(wěn)定性的合金電催化劑。同時，通過焦耳加熱策略引入Ru元素后，催化劑的空位形成能（9.36 eV）以及Mo-o*反鍵能級能夠得到有效的增加和提高，從而抑制了Mo元素的溶解，提升催化劑的穩(wěn)定性（1 M KOH: 2000 h @ 1A cm-2）。并且，借助于RuMo納米合金引入的不對稱電場，能夠有效調(diào)控界面水網(wǎng)絡（氫鍵: 30-35; 鍵長: 2.37 Å-2.39 Å），促使快速的OH轉(zhuǎn)移動力學，進而在電解水制氫方面表現(xiàn)出優(yōu)異性能（1 M KOH: 256 mV @ 2A cm-2），實現(xiàn)AEM電解槽（RuMo@MoOx-JH（-）||NiFe-LDH（+））的低能耗制氫（3.82 kW h m-3 @ 300 mA cm-2）。這項工作為高分散納米合金的制備提供了一種普適性的構筑方案，同時，也為理解電催化制氫反應過程機制提供了更多的理論依據(jù)。
趙展同學在實驗中
研究成果的第一完成單位是中國海洋大學，孟祥超教授為唯一/獨立通訊作者，文章第一作者是化學化工學院2023級海洋化學工程與技術專業(yè)博士生趙展。該工作得到了國家自然科學基金、山東省自然科學基金、山東省泰山學者項目以及學校學科建設等項目經(jīng)費的大力支持。
通訊員：趙展
文章鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-51976-5
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