中國石油大學(xué)（華東）：氫能制備領(lǐng)域研究取得系列進(jìn)展！

綠色氫能是國家“雙碳”戰(zhàn)略和“十四五”可再生能源發(fā)展規(guī)劃的重要發(fā)展方向，也是山東省實施新舊動能轉(zhuǎn)換、建設(shè)綠色低碳高質(zhì)量發(fā)展先行區(qū)行動規(guī)劃的重點發(fā)展領(lǐng)域。同時，中石油、中石化、中海油等大型能源公司也相繼將電解水制綠氫及氫能相關(guān)應(yīng)用作為未來核心儲備技術(shù)。近日，中國石油大學(xué)（華東）綠色能源化工團(tuán)隊在氫能領(lǐng)域電解水陽極析氧（OER）催化劑研究方面取得一系列新進(jìn)展，相關(guān)研究成果發(fā)表在Advanced Materials、Applied Catalysis B: Environmental、Chemical Engineering Journal和Nano Research等國際知名化學(xué)化工及能源類期刊，中國石油大學(xué)（華東）均為唯一署名單位和通訊單位。該系列工作緊密圍繞國家清潔能源轉(zhuǎn)型的重大戰(zhàn)略需求，針對規(guī)模化制綠氫陽極催化劑開發(fā)中的關(guān)鍵科學(xué)及技術(shù)問題開展前瞻性研究，為高效電解水制氫催化劑的設(shè)計調(diào)控、推進(jìn)規(guī)模化綠氫制備技術(shù)的發(fā)展做出了積極貢獻(xiàn)。

題為《高施加電位助力Co物種在MnO2表面穩(wěn)定沉積及其酸性水氧化研究》（High Voltage Enabled Stable Cobalt Species Deposition on MnO2for Water Oxidation in Acid）的成果發(fā)表在國際能源材料頂級期刊Advanced Materials（T0，一區(qū)TOP）上，化學(xué)化工學(xué)院2018級直博生張鑫宇為本文第一作者，董斌副教授和柴永明教授為共同通訊作者。

質(zhì)子交換膜（PEM）電解槽是最具商業(yè)化前景的可再生能源電解水產(chǎn)氫裝置。但PEM的酸性運行環(huán)境使得銥基等貴金屬仍舊是陽極（OER）催化劑的主要選擇，其儲量和價格，卻嚴(yán)重阻礙了PEM電解槽應(yīng)用推廣。鑒于此，團(tuán)隊創(chuàng)新性提出了高施加電位與電解液調(diào)制相結(jié)合的策略，有效實現(xiàn)了豐富的Co物種在MnO2載體表面的沉積，表現(xiàn)出顯著提高的酸性O(shè)ER活性(提升6.9倍)和穩(wěn)定性(提升46.4倍)。該工作提出的利用Pourbaix圖中施加電位與活性元素穩(wěn)定相的協(xié)同因素，為設(shè)計酸性介質(zhì)高穩(wěn)定電催化劑提供了全新視角。

題為《室溫電活化構(gòu)筑S摻雜NiFe氫氧化物用于高效析氫》（S-dopednickel-iron hydroxidessynthesized byroom-temperatureelectrochemical activation forefficient oxygenevolution）的成果發(fā)表在國際知名化學(xué)催化期刊Applied Catalysis B: Environmental（T0，一區(qū)TOP）上，并入選ESI熱點論文和ESI高被引論文，化學(xué)化工學(xué)院2021級博士生周亞楠為本文第一作者，董斌副教授和柴永明教授為共同通訊作者。

NiFe氫氧化物因其優(yōu)異活性、可調(diào)結(jié)構(gòu)組成和堿性穩(wěn)定性成為了最具潛力的過渡金屬基析氧催化劑。陰離子的精準(zhǔn)引入被證實可以調(diào)節(jié)NiFe活性位點的電荷轉(zhuǎn)移，增強析氧本征活性，同時不破壞其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。但如何實現(xiàn)是一個技術(shù)上的難點。團(tuán)隊創(chuàng)新性地利用室溫吸附和原位電活化相結(jié)合的策略，溫和地實現(xiàn)了S定量摻雜NiFe氫氧化物的有效構(gòu)筑。所得催化劑不僅獲得了S的高密度均勻摻雜，而且保持了NiFe氫氧化物的形貌結(jié)構(gòu)，提升了活性，保持了高穩(wěn)定性。同時，相關(guān)析氧催化機理也被系統(tǒng)討論。該工作發(fā)表后獲得國內(nèi)外同行關(guān)注，相繼入選ESI熱點論文和ESI高被引論文。

題為《動態(tài)陰離子調(diào)節(jié)策略構(gòu)建S摻雜FeOOH實現(xiàn)大電流密度高效析氧》（Dynamic Anion Regulation to Construct S-doped FeOOH Realizing 1000 mA cm-2?Level-Current-Density Oxygen Evolution over 1000 h）的成果發(fā)表在國際知名催化期刊Applied Catalysis B: Environmental（T0，一區(qū)TOP）上，化學(xué)化工學(xué)院2018級直博生張鑫宇為本文第一作者，董斌副教授和柴永明教授為共同通訊作者。

高效析氧電催化劑對于電解水技術(shù)的工業(yè)化推廣至關(guān)重要。盡管目前在研發(fā)高性能析氧催化劑方面取得了豐碩成果，但仍然缺乏大電流(> 1000 mA cm-2)下穩(wěn)定運行的析氧催化劑的相關(guān)研究。鐵基（氧）氫氧化物表現(xiàn)出較高OER本征活性，但純FeOOH導(dǎo)電性較差，速控步驟(由M-O到M-OOH)反應(yīng)能壘高，性能提升受限。鑒于此，團(tuán)隊創(chuàng)新性地提出了電解液中動態(tài)陰離子調(diào)控的策略，研究了一系列陰離子對FeOOH的影響并成功實現(xiàn)了S對FeOOH析氧性能的規(guī)律性調(diào)控。通過對電解液中離子種類和濃度的優(yōu)化，使所制備的0.01 S-FeOOH+1000/IF催化劑在1000 mA cm-2的高電流密度下表現(xiàn)出更高的反應(yīng)活性和超長的穩(wěn)定性。

題為《定向動態(tài)平衡持續(xù)調(diào)控析氧反應(yīng)電催化界面》（Directional Regulating Dynamic Equilibrium to Continuously UpdateElectrocatalytic Interface for Oxygen Evolution Reaction）的成果發(fā)表在國際知名化工期刊Chemical Engineering Journal（T0，一區(qū)TOP）上，并入選ESI高被引論文，化學(xué)化工學(xué)院2021級博士生范若瑤為本文第一作者，董斌副教授為通訊作者。

構(gòu)建穩(wěn)定的鐵基析氧微觀催化界面是非均相催化水分解制氫的關(guān)鍵步驟。然而，實際工業(yè)應(yīng)用中，對微觀析氧界面的定向、動態(tài)調(diào)控是一個很大挑戰(zhàn)。基于此，團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)同時利用界面的FeOOH轉(zhuǎn)化平衡和Fe*吸附-溶解平衡可以有效實現(xiàn)析氧催化界面的動態(tài)更新和精準(zhǔn)調(diào)控。可以通過平衡反應(yīng)的定量屬性，改變堿性電解質(zhì)中Fe3+濃度來實現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)控。最終，利用原位電化學(xué)活化和催化平衡的定向調(diào)控，合成了高活性、長期穩(wěn)定、具有工業(yè)應(yīng)用潛力的FeOOH-Ni基析氧催化劑。

題為《FeS納米片和Co9S8顆粒耦合構(gòu)筑0D-2D肖特基異質(zhì)結(jié)用于工業(yè)級水氧化》（0D-2D Schottky Heterostructure Coupling of FeS Nanosheets andCo9S8Nanoparticles for Long-Term Industrial-Level Water Oxidation）的成果發(fā)表在國際知名、國產(chǎn)領(lǐng)軍期刊Nano Research（T0，一區(qū)TOP）上，化學(xué)化工學(xué)院2020級博士生劉海君為本文第一作者，董斌副教授和柴永明教授為共同通訊作者。

異質(zhì)結(jié)構(gòu)電催化劑的有效電子和界面耦合是調(diào)節(jié)析氧反應(yīng)催化劑的本征活性和穩(wěn)定性的關(guān)鍵。基于此，團(tuán)隊創(chuàng)新性的制備了FeS-Co9S8肖特基異質(zhì)結(jié)構(gòu)電催化劑，在工業(yè)級的高電流密度下表現(xiàn)出高活性和長穩(wěn)定性。2DFeS納米片與其表面分散良好的0DCo9S8納米顆粒之間的強電子耦合，加速了電子從FeS納米片中的Fe原子流向四面體位置的Co原子，從而導(dǎo)致異質(zhì)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)完整以及暴露更多的活性位點。本工作證明了構(gòu)造肖特基異質(zhì)結(jié)構(gòu)并使其具有強耦合效應(yīng)的界面，是獲得優(yōu)異電催化析氧性能的良好策略。

綠色能源化工團(tuán)隊是“重質(zhì)油國家重點實驗室”和“CNPC催化重點實驗室”的重要組成部分。團(tuán)隊始終圍繞催化加氫、催化制氫、綠色氫能制取與高端利用的基礎(chǔ)與應(yīng)用研究開展工作，服務(wù)國家“雙碳”戰(zhàn)略、服務(wù)山東省新舊動能轉(zhuǎn)換、面向我國清潔能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型和綠色高端化工的可持續(xù)高質(zhì)量發(fā)展。團(tuán)隊研發(fā)了系列高性能過渡金屬基催化材料和催化劑成功用于加氫/制氫領(lǐng)域的各個環(huán)節(jié)，研究成果在新能源、高端化工、綠色環(huán)保等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了中試及工業(yè)化應(yīng)用，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)和社會效益。近5年，綠色能源化工團(tuán)隊承擔(dān)國家自然科學(xué)基金重點項目（1項）、國家自然科學(xué)基金面上項目（6項）、山東省重大科技創(chuàng)新工程項目（1項）、山東省自然科學(xué)基金重大基礎(chǔ)研究項目（1項）、中國石油重大科技專項（4項）、技術(shù)轉(zhuǎn)化重大項目等課題30余項，發(fā)表SCI論文130余篇，撰寫著作2部，授權(quán)發(fā)明專利50余項，獲省部級科技獎勵2項。