清華新聞網(wǎng)6月28日電 氫能作為一種能量密度高且燃燒產(chǎn)物清潔的可再生能源，是實(shí)現(xiàn)碳中和戰(zhàn)略的重要能量載體。清潔電能驅(qū)動(dòng)的電解水技術(shù)是實(shí)現(xiàn)綠色制氫的關(guān)鍵，其中，具有高電流密度和高能量轉(zhuǎn)換效率的質(zhì)子交換膜電解水制氫技術(shù)極具發(fā)展前景。因此，開(kāi)發(fā)在高電流密度下具有優(yōu)異活性和穩(wěn)定性的催化劑對(duì)該技術(shù)的實(shí)用至關(guān)重要。然而在電解槽的陽(yáng)極端，四電子析氧反應(yīng)動(dòng)力學(xué)緩慢，這對(duì)催化劑的活性提出更高要求；同時(shí)，酸性腐蝕環(huán)境及強(qiáng)烈的陽(yáng)極極化作用使催化劑面臨嚴(yán)峻的穩(wěn)定性挑戰(zhàn)，催化劑在氧化電位下的溶解會(huì)導(dǎo)致催化性能的衰減。因此，構(gòu)建在高電流密度下具有高性能的催化劑對(duì)于面向工業(yè)應(yīng)用的質(zhì)子交換膜電解水制氫技術(shù)具有重大意義。
近日，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院劉碧錄團(tuán)隊(duì)及合作者開(kāi)發(fā)出一種基于強(qiáng)耦合界面策略的自錨定析氧催化劑。研究人員通過(guò)原位生長(zhǎng)及電化學(xué)氧化重構(gòu)等方法，制備得到一種CrO2-0.16IrO2催化劑。該催化劑以高分散的IrO2為活性組分，將其錨定于多孔CrO2基底中，不僅有效降低了貴金屬銥的用量，又充分暴露了活性位點(diǎn)；同時(shí)，利用IrO2與CrO2之間的強(qiáng)耦合作用優(yōu)化了催化劑對(duì)反應(yīng)中間體的吸附能，并縮短了銥氧鍵的鍵長(zhǎng)，進(jìn)一步增強(qiáng)了催化劑的活性及穩(wěn)定性。
圖1.自錨定催化劑的設(shè)計(jì)思路及表征
研究人員制備出的CrO2-0.16IrO2催化劑在高電流密度下具備出色的活性及穩(wěn)定性。該催化劑在2000 mA cm-2下僅需425mV的過(guò)電位，并在1000 mA cm-2下穩(wěn)定運(yùn)行100小時(shí)后性能無(wú)衰減。研究人員將其作為陽(yáng)極催化劑組裝質(zhì)子交換膜電解槽，發(fā)現(xiàn)該電解槽以1.73V的低電壓實(shí)現(xiàn)2.0 A cm-2的高電流密度，在1.0 A cm-2的條件下穩(wěn)定產(chǎn)氫100小時(shí)且制氫效率高達(dá)76.7%，制氫的電力成本為0.87美元/千克氫氣，低于美國(guó)能源部設(shè)定的2.0美元/千克氫氣的目標(biāo)，具有工業(yè)應(yīng)用前景。該研究成果對(duì)于開(kāi)發(fā)低載量的貴金屬基催化劑提供了新思路，通過(guò)自錨定策略提升催化劑性能的方法有望進(jìn)一步拓展到其他材料及反應(yīng)體系中。
圖2.高電流密度下CrO2-0.16IrO2催化劑的析氧性能
圖3.CrO2-0.16IrO2催化劑的DFT計(jì)算結(jié)果
圖4.基于CrO2-0.16IrO2陽(yáng)極催化劑的質(zhì)子交換膜電解槽性能
相關(guān)研究成果以“用于質(zhì)子交換膜電解槽大電流密度酸性析氧反應(yīng)的鉻銥氧催化劑”（A robustchromium-iridium oxide catalyst for high-current-density acidic oxygen evolution in proton exchange membrane electrolyzers）為題發(fā)表于國(guó)際期刊《能源與環(huán)境科學(xué)》（Energy & Environmental Science）上。
論文通訊作者為清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院劉碧錄教授、余強(qiáng)敏博士、中國(guó)科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所柴國(guó)良研究員，第一作者為清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院2020級(jí)碩士生葛詩(shī)玉。論文作者還包括中科院先進(jìn)技術(shù)研究院成會(huì)明院士、中國(guó)科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所官輪輝研究員、解瑞寬博士以及博士生黃兵等。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委、廣東省科技廳、深圳市科創(chuàng)委等部門(mén)的支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1039/D3EE01192E
供稿：深圳國(guó)際研究生院
題圖設(shè)計(jì)：金婭辰
編輯：李華山
審核：郭玲
