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非贵金属催化析氧催化剂取得新进展

(2017-12-28)

    近期,我实验室杜平武教授课题组利用两步法成功的在泡沫镍基底上原位生长了纳米片状的铁镍磷非贵金属电催化剂,在电解水析氧反应中表现出高活性和高稳定性,能够大幅降低成本,加快了综合电解水制氢的商业化应用进程。该成果以“Highly Efficient and Stable Water-Oxidation Electrocatalysis with a Very Low Overpotential using FeNiP Substitutional-Solid-Solution Nanoplate Arrays”为题,发表在 《先进材料》 (Advanced Materials) 杂志上(DOI: 10.1002/adma.201704075),论文的共同第一作者是硕士研究生钱满满和博士研究生崔胜胜。


化石能源的大量消耗造成了严重的能源短缺、环境污染等诸多问题。社会的可持续发展需要进行能源结构的调整,寻求更为清洁且可再生的替代能源。氢能作为一种可再生能源,其热值高,燃烧产物为水,无污染,因此被认为是未来最理想的能源形式。而且氢气的来源多样化,其中电解水的方式优点突出,广受关注。然而电催化水分解中的析氧反应(OER)通常是缓慢的动力学过程,这往往限制了电解水的综合效率。

针对上述问题,研究人员借助泡沫镍为基底利用原位生长技术,设计并合成出一种廉价高效的铁镍磷固溶体纳米片催化剂。在该催化剂中,铁原子和镍原子均匀混合,形成稳定均一的铁镍磷固溶体(FeNiP),两种催化原子之间相互协同作用,形成良好的催化机制,提高了其催化活性;并且该催化剂以三维立体结构的形式原位生长在泡沫镍基底上,加快了其电荷转移速率,增加了催化稳定性。研究表明,这种新型催化剂在达到10 mA cm-2的电流密度下,所需要的过电位仅有180 mV,优于绝大多数非贵金属催化剂。同时该催化剂在连续电解25 h或者循环使用1000次后,催化剂本身没有明显变化,催化活性也基本没有损失。由此可见,基于铁镍磷固溶体纳米片的催化剂,在电催化水氧化方面兼具高活性和高稳定性,且优于大多数非贵金属催化剂的性能。这一工作对于设计发展非贵金属磷化物的高性能电化学催化剂有重要意义。

上述研究工作受到中组部青年千人计划、能源材料化学协同创新中心、国家自然科学基金委面上项目、新世纪优秀人才等的支持。

论文链接:http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201704075/full

 


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