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水电解制氢用非贵金属催化剂研究新进展:德、法、日研究人员合作开发出基于钼镍的新型催化剂

2017-05-22 220浏览 标签: 水电解制氢催化剂

2017年5月18日,德国德累斯顿工业大学通过官网发布消息称,水电解制氢用非贵金属催化剂研究取得最新进展,德、法、日研究人员合作开发出基于钼镍的新型高效催化剂。

当前社会,一方面对化石燃料的强度依赖致使我们的经济极易受化石燃料价格波动的影响而遭受能源危机;另一方面,对化石燃料的过度使用加剧了环境污染和温室效应。因此,开发一种清洁、可再生、环境友好和无污染的替代能源已迫在眉睫。对比各种可替代能源,氢能作为一种全天候的资源,以其高能量密度和环保特性备受关注。在氢气生产的许多方法中,水电解制氢是未来最经济有效的途径,地球上的水资源极其丰富,可谓取之不尽,用之不竭,以水制氢有着无可比拟的巨大优势和广阔的应用前景。然而这一过程需要高活性、高稳定性的氢析出和氧析出催化剂以使水电解反应经济节能。由于水电解制氢反应中阴极氢析出反应(HER)对铂基材料以及阳极氧析出反应(OER)对氧化铱、氧化钌的高度依赖,而铂、铱、钌均属于贵金属,这严重限制了其大规模应用的发展进程。研究人员希望通过不断的技术改进和材料革新以降低水电解制氢技术的成本,寻找地球含量丰富的非贵金属催化剂势在必行。

德、法、日研究人员合作研究水电解制氢用非贵金属催化剂,他们设计出一种固定在MoO2长方体上的低成本MoNi4电催化剂方案,其中MoNi4/MoO2@Ni在镍泡沫上垂直排列。MoNi4纳米粒子是通过控制Ni原子的向外扩散,在MoO2立方体上进行原位构建。所得到的MoNi4 / MoO2 @ Ni表现出高的阴极氢析出反应活性,与铂基材料催化剂的活性相当,这是目前所有报道的无铂电极催化剂中呈现出的最高的阴极氢析出反应活性。

实验研究表明,MoNi4电催化剂作为高活性中心,表现出快速阴极氢析出反应动力学。此外,密度泛函理论(DFT)计算确定MoNi4电催化剂可降低反应过程中的动能势垒。这种基于钼镍MoNi4 / MoO2 @ Ni的新型催化剂,由于具有可大规模制备和优异的催化稳定性,有望成为铂基贵金属催化剂的潜在替代方案。

据悉,相关研究成果发表至5月17日的“Nature Communications(自然通讯)”。论文题目为“Efficient hydrogen production on MoNi4 electrocatalysts with fast water dissociation kinetics(用快速的水解反应动力学的方法,在MoNi4电催化剂上高效制氢)”。这项研究由ERC(欧洲研究委员会)的2DMATER(用于储能和转换的二维纳米材料的控制合成)项目以及EC(欧盟委员会)的Graphene Flagship(欧洲石墨烯旗舰)计划提供资金支持。研究团队由德国德累斯顿工业大学电子技术推动研究中心(CfAED)的Xinliang Feng教授研究小组(成员包括Jian Zhang,Shaohua Liu,Xiaodong Zhuang);法国里昂高等师范学院、法国国家科研中心CNRS的Tao Wang;日本东北大学WPI高级材料研究所的Pan Liu 和Mingwei Chen;德国弗劳恩霍夫陶瓷技术和系统研究所(IKTS)的Zhongquan Liao 和Ehrenfried Zschech。

 

 

图  固定在MoO2长方体上的低成本MoNi4电催化剂,其中MoNi4/MoO2@Ni在镍泡沫上垂直排列



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