華東理工大學(xué)陰離子交換膜電解水制氫催化劑研究新進(jìn)展

近日，我校材料科學(xué)與工程學(xué)院清潔能源材料與器件團(tuán)隊(duì)在陰離子交換膜電解水制氫催化劑領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，相關(guān)成果以“Oxygen Plasma Triggered Co-O-Fe Motif in PrussianBlue Analogue for Efficient and Robust Alkaline Water Oxidation”為題，在線發(fā)表于國(guó)際權(quán)威期刊Angewandte Chemie International Edition。

利用可再生能源驅(qū)動(dòng)電解水制氫被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)的重要手段之一。在眾多電解水技術(shù)中，陰離子交換膜電解水（AEMWE）制氫技術(shù)在氫氣純度、電解效率、制氫速率、冷啟動(dòng)時(shí)間等方面具有優(yōu)勢(shì)，同時(shí)可以擺脫催化電極及槽體對(duì)貴金屬的依賴。目前，3d過(guò)渡金屬基電催化劑在堿性電解質(zhì)中表現(xiàn)出優(yōu)異的催化性能。然而，在工業(yè)級(jí)電流密度條件下，這類催化劑的長(zhǎng)期穩(wěn)定性仍然是領(lǐng)域內(nèi)的重要挑戰(zhàn)。

針對(duì)上述問(wèn)題，我校研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地采用高功率氧等離子體處理技術(shù)，精確調(diào)控了CoFe雙金屬普魯士藍(lán)類似物（PBA）析氧催化劑的局域原子近程結(jié)構(gòu)：在保留PBA晶體結(jié)構(gòu)框架的同時(shí)，通過(guò)破壞局域氰基配體并引入氧原子，成功構(gòu)建了Co-O-Fe的結(jié)構(gòu)基元，進(jìn)而將析氧反應(yīng)路徑從傳統(tǒng)的吸附物演化反應(yīng)機(jī)制（AEM）調(diào)節(jié)為動(dòng)力學(xué)更優(yōu)的晶格氧氧化反應(yīng)機(jī)制（LOM）。

研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步利用同步輻射及原位譜學(xué)表征技術(shù)證明了局域Fe與Co位點(diǎn)之間的協(xié)同作用機(jī)制，即電子由Co-O-Fe結(jié)構(gòu)基元向Fe位點(diǎn)轉(zhuǎn)移，進(jìn)而促進(jìn)了高價(jià)態(tài)Co活性中心形成，同時(shí)有效避免Fe位點(diǎn)過(guò)度氧化而溶解失活。氧等離子體處理后的PBA催化劑在工業(yè)級(jí)電流密度下表現(xiàn)出優(yōu)異的析氧反應(yīng)活性和長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性，在電流密度為1 A cm-2時(shí)，僅需276 mV的過(guò)電位；用該催化劑為陽(yáng)極材料組裝的AEMWE制氫系統(tǒng)僅需1.76 V便可達(dá)到1.0 A cm-2的制氫電流密度，并能持續(xù)運(yùn)行超250 h而無(wú)明顯衰減。這項(xiàng)工作克服了傳統(tǒng)非貴金屬催化劑在工業(yè)級(jí)電流密度下穩(wěn)定性差的難題，為平衡催化劑活性和穩(wěn)定性的材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了新的思路。

該研究工作以華東理工大學(xué)為唯一通訊單位。我校材料科學(xué)與工程學(xué)院博士生徐皓觀和碩士生朱辰為論文第一作者，我校劉鵬飛副教授、袁海洋副教授、楊化桂教授為通訊作者，研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、上海市基礎(chǔ)研究特區(qū)等項(xiàng)目的支持。