文章信息
人工异质界面实现对析氢和肼氧化催化的精细反应动力学
第一作者:Qizhu Qian, Jihua Zhang, Jianming Li
通讯作者:谢毅*,章根强*,肖翀*
单位:中国科学技术大学
研究背景
化石燃料利用引发的能源危机和环境问题日益受到关注,引发了人们对清洁可再生能源的更多研究关注。由于高重量能量密度和环境友好性,氢(H2)被认为是常规化石燃料最重要的替代能源载体。与通过蒸汽重整、水电解被认为是未来产生高纯度H2的最有前途的方法之一。然而,水分解的总能量转换效率很大程度上被电极反应的缓慢动力学所抑制,特别是阳极析氧反应的高理论电势(OER,4OH-→O2+2H2O+4e-,1。23 vs。 RHE)。
尽管已经广泛报道了用于析氢反应的高级双功能电催化剂(HER)和OER,但是实际电解槽中的整体水分裂(OWS)的输入槽电压仍然需要1。6至2。0V。最近,通过用热力学上有利的肼氧化反应(HzOR,N2H4 + 4OH- → N2 + 4H2O + 4e-,-0。33V vs。 RHE)代替OER的肼辅助H2生产被提议作为具有光明前景的替代节能方法。
除了整体肼分解(OHzS)中低得多的电池电压之外,无膜电解槽还可适用于未来的实际应用,因为阳极处唯一的副产物是惰性氮气(N2),而不是OWS系统中爆炸性的H2/O2混合物。不幸的是,大部分努力都集中在为HER设计先进和低成本的电催化剂上,而为HzOR开发电活性非贵金属材料却远远落后,更不用说为HER和HzOR开发双功能电催化剂了。
文章简介
近日,中国科学技术大学谢毅教授在知名期刊Angewandte Chemie International Edition上发表题为“Artificial Heterointerfaces Achieve Delicate Reaction Kinetics towards Hydrogen Evolution and Hydrazine Oxidation Catalysis”的研究工作。
该工作报道了在镍泡沫上具有丰富的Ni3N-Co3N异质界面的分级多孔纳米片阵列,其具有优异的析氢反应(HER)和HzOR活性,对于10 mA·cm-2分别实现-43和-88 mV的工作电势,并且对于HzOR在200 mV时实现工业级1000 mA·cm-2。双电极整体肼分裂(OHzS)电解槽要求槽电压分别为0。071和0。76 V,为10和400 mA·cm-2。
本文研究了由直接肼燃料电池和商用太阳能电池提供动力的H2产品,以启发未来的实际应用。密度泛函理论计算表明异质界面同时优化了氢吸附自由能(GH*)和促进了肼脱氢动力学。这项工作为先进的双功能电催化剂提供了理论基础,并推动了实用的节能H2发电技术。
本文要点
要点一:该工作报道了开发了一种在镍泡沫上具有丰富的Ni3N-Co3N异质界面的分级多孔纳米片阵列电极(称为Ni3N-Co3N PNAs/NF),作为碱性条件下HER和HzOR的高活性的电催化剂。
要点二:使用Ni3N-Co3N PNAs/NF电极作为双功能电催化剂的用于整体肼分解的双电极电解槽在仅0。071和0。76 V的创纪录低槽电压下可输送10和400 mA·cm-2的电流密度,显著优于整体水分解(OWS)的性能。为了证明有前途的实际应用,肼辅助电解系统可以直接由国产直接肼燃料电池(DHzFC)和1。0 V电压的商业太阳能电池驱动,并获得良好的H2生产率。
要点三:重要的是,密度泛函理论计算表明,Ni3N和Co3N的结合可以有效地调节电子结构,进一步降低HzOR过程中RDS的自由能,同时对HER更有利。这项工作不仅为异质结构金属氮化物的HER和HzOR催化活性提供了更深入的机理理解,也为通过表面和界面工程设计和合成先进的催化材料提供了新的思路。
文章链接
Artificial Heterointerfaces Achieve Delicate Reaction Kinetics towards Hydrogen Evolution and Hydrazine Oxidation Catalysis
https://onlinelibrary。wiley。com/doi/10。1002/anie。202014362
通讯作者介绍
谢毅,教授,博士生导师。
1967年7月生。中国科学技术大学化学与材料科学学院、合肥微尺度物质科学国家研究中心教授,博士生导师。1988年毕业于厦门大学化学系,获得学士学位。1996年在中国科学技术大学应用化学系获博士学位后留校任教,此后曾去美国纽约州立大学石溪分校和宾州州立大学从事博士后研究及访问。1998年获国家杰出青年基金后晋升为教授,2000年入选教育部第三批长江特聘教授,2003年成为国家基金委创新群体基金学术带头人,2009年起任化学与材料科学学院学术委员会主任。2013年当选中国科学院院士和英国皇家化学会会士,2015年当选发展中国家科学院(TWAS)院士和亚太材料科学院(APAM)院士。
章根强 教授。
2016年05月-至今:特任教授,博士生导师,中国科学技术大学化学与材料科学学院;2014年05月-2016年04月:主任学者博士后,美国洛斯阿拉莫斯国家实验室;2011年11月-2014年04月:博士后,新加坡南洋理工大学/TUM-CREATE研究中心;2009年10月-2011年10月:博士后,美国普渡大学化工学院;2004年09月-2009年07月:博士,中国科学技术大学;2000年09月-2004年07月:学士,中国科学技术大学。本课题组致力于先进功能纳米材料的优化合成及其在能源器件中的应用研究,研究方向:1。 基于多元过渡金属氧化物纳米结构的可控合成及其作为能源存储器件电极材料的应用研究。2。 基于过渡金属非氧化物纳米结构的高性能电催化剂的设计合成、性能优化及其在能源转换器件中的应用研究。3。 新颖复合纳米结构在能源存储与转换领域中的应用研究。
肖翀,中国科学技术大学特任教授。
入选国家自然科学基金委优秀青年基金,中科院青年创新促进会等人才支持计划。近年来一直从事低维无机固体制备、电声结构调控及其在能源转换领域的研究,已在国际专业期刊上以第一作者/通讯作者身份发表SCI论文29篇,影响因子10以上的21篇,其中Acc。 Chem。 Res。1篇,J。 Am。 Chem。 Soc。 10篇,Nature Communications 1篇,Angew。 Chem。 Int。 Ed。 2篇,Adv。 Mater。 2篇,Adv。 Energy Mater。 2篇。2篇论文被ESI评为Highly Cited Papers,1篇论文入选JACS亮点文章(Spotlights on Recent JACS Publications),1篇论文入选2012年度《中科院重大科技基础设施重大成果汇编》,博士学位论文相关工作获Springer出版社邀请作为Springer Theses系列丛书向全球出版发行。