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华体会体育官方入口氢能量子催化团队在校定TOP期刊连续发表电解水制氢研究成果

发布人:科研办日期:2023-09-26浏览数:

近日,华体会体育官方入口华体会体育官方入口、低维量子结构与调控教育部重点实验室周海青、余芳、唐东升教授等人在氢能量子催化领域取得了重要进展,研究成果以“In situ regulating cobalt/iron oxide-oxyhydroxide exchange by dynamic iron incorporation for robust oxygen evolution at large current density”“Multi-site trifunctional hydrangea-like electrocatalysts for efficient industrial-level water/urea electrolysis with current density exceeding 1000 mA cm-2”为题分别刊发在校定一类期刊Advanced MaterialsScience China Materials。近三年来,氢能量子催化团队在电解纯水/海水制氢领域取得了系列创新性研究成果,主要发表在应用物理及其交叉学科领域国际知名刊物上:Appl. Phys. Lett.2023,123, 083901;ACS Nano2023,17, 1681(ESI高被引);Adv. Funct. Mater.2023,33, 2209465;Small2023,19, 2207082;Small2022,18, 2203171;Small2022,18, 2105642;Small2022,18, 2104624;Mater. Today Phys.2021,16, 100314(ESI高被引);J. Mater. Chem. A2021, 9, 10199(ESI高被引);Small2020, 16, 1906629;ACS Catal.2020,10, 1511,并授权美国、中国发明专利7项,获批企业横向课题1项。

近年来,氢能的高效制取和利用吸引了国际社会的广泛关注,其中氢能的廉价、绿色制备仍然是一个挑战。电解水制氢技术可以将大自然储量丰富的可再生电力资源(光伏、水电、风电等)转化为可储存、运输的氢能,无碳排放,对于我国碳达峰、碳中和目标的实现有重要价值。然而,电能消耗大,制氢成本高是该技术应用的瓶颈。为提高电解水制氢反应的能量效率,降低制氢成本,研发出高活性的阴、阳极电催化材料至关重要。目前,高活性的催化材料仍然以铂、钌等贵金属材料为主,但其昂贵的价格限制了规模应用。在碱性环境中,为了降低催化剂成本,工业界一般采用廉价的镍/钴/铁基材料作为催化剂,但相应的电解水析氧、析氢反应过电位过高,大大降低了水分解制氢的能量转换效率,增加电能损耗。基于此,采用简单的规模化制备技术来可控合成高活性、低成本、高稳定性的非贵金属析氧催化剂是当前电解水制氢技术走向产业化亟待攻克的科学难题之一,以期在大幅降低电极材料成本的同时,实现在大电流高效、稳定制氢。近年来,氢能量子催化团队专注于富铁电催化材料,致力于发展高性能的富铁异质结催化材料来解决镍或钴基材料在大电流的低催化活性和长时间稳定性,从而促进相关技术产业化。尽管团队率先在国际知名期刊美国科学院院刊PNAS上报道了一种高活性且在大电流下性能稳定的富铁析氧催化剂(PNAS2017,114, 5607),然而铁元素在电催化反应中的增益因素及其活性根源一直是电解水制氢领域悬而未决的科学问题,引起了众多科学家的广泛关注。

针对上述问题,周海青、余芳教授团队发展了低成本、实用性强的机械搅拌技术来可控合成高性能的钴铁基析氧催化剂,该催化剂在高电流密度500 mA/cm2能持续运行超过150小时,展现出优异的稳定性,其析氧过电位只增加30毫伏左右。在此基础上,团队聚焦催化机理的原位阐释,发展了以准原位X射线光电子能谱为主要手段,辅以原位拉曼光谱的原位光谱学表征技术,实时监测到钴铁催化剂的动态结构重构行为,解析了铁元素在活性物种演化过程中的主要影响机制。该制备工艺有望实现非贵金属催化剂的批量、大尺寸制备,相关电催化材料兼容碱性电解槽制氢工艺。

湖南师范大学博士生李东阳为论文的第一作者,余芳、周海青教授为本论文的通讯作者,湖南师范大学为论文的第一及通讯单位。该工作获得了国家海外高层次人才项目、国家自然科学基金面上项目、湖南省首批揭榜挂帅项目等基金的资助。

论文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202305685

https://link.springer.com/article/10.1007/s40843-023-2544-5

一审:周海青

二审:贺兵香

三审:廖洁桥