南科大谷猛团队在电解水产氢领域取得系列进展
2021年08月18日 科研新闻 浏览量 :2462

近日,南方科技大学材料科学与工程系副教授谷猛团队在电解水领域取得一系列成果,相关论文相继在Journal of the American Chemical Society,Energy & Environmental Science, Advanced Materials等国际顶级期刊发表。   

微信图片_20210818161648.png        图1. 单原子演变过程与独特结构产生的优异性能

在众多清洁能源的产业中,氢能的利用可以实现大规模、高效可再生能源转化与存储,在实现碳中和的过程中将起到重要作用。而氢能的利用需要从制氢开始,电解水制氢作为绿氢的主要制备路线之一,解决电解水中析氧半反应缓慢动力学行为是实现氢能源利用的关键。

谷猛课题组联合南科大物理系教授徐虎课题组、宾夕法尼亚州大学教授Joseph S. Francisco团队在单原子电催化析氧领域取得重要进展,相关研究成果在国际顶级学术期刊《美国化学会志》(Journal of the American Chemical Society)上在线发表。论文题目为“Single Iridium Atom Doped Ni2P Catalyst for Optimal Oxygen Evolution”。

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图2.  Ir单原子在两种磷化镍基体上HAADF图象证明其独特的原子占位

一直以来,高析氧活性的电催化剂通常是贵金属Ir, Ru基材料,然而这两种元素昂贵的价格与稀缺的储量性限制了他们在工业上的大规模应用。如何实现催化活性和稳定性提高的同时降低催化剂的成本,是电解水领域亟待解决的问题,也是实现氢能广泛利用的关键问题之一。单原子催化剂不但能改善催化活性和选择性,而且可以有效提升贵金属原子利用率,降低催化剂成本,是具有前景的鱼与熊掌兼得的策略。

然而,考虑到氢能产业的加速发展,单原子催化剂在电催化析氧反应的催化表现仍然有待提升,面临的主要问题在于如何进一步提升催化表现。单原子的本征催化活性取决于单原子本身类型,同时受到单原子的配位环境影响,因此该问题落点于调控单原子的配位环境实现最有利的本征催化活性。另一方面,稳定可靠的性能是单原子催化剂面临的又一问题,传统的自下而上的制备方法经常伴随着单原子与基体锚定不够紧密而导致单原子团聚,影响性能。

课题组采用“自上而下“的方法将核壳结构的Ni@Ir纳米颗粒通过磷化的方式,把连续的”Ir壳“解离成单分散的Ir原子,巧妙地构造出了Ir单原子负载的空心磷化镍结构。通过原子级STEM、XAS和XPS等一系列深入的原子电子结构研究发现,该IrSA-Ni2P催化剂中单原子Ir主要位于Ni2P中最外层Ni的原子占位,同时由于表面的自氧化过程,Ir原子形成一种Ir-O-P的配位环境。通过DFT计算表明,该配位环境降低了析氧反应在Ir活性位点上决速步骤的反应能垒,优化了析氧反应在Ir单原子位点的反应速率。得益于该特殊配位的单原子活性位点,该IrSA-Ni2P催化剂在1M的KOH电解质中,电流密度为10 mA·cm-2时表现出创纪录的149mV的过电位,领先于目前报道的大部分电催化析氧催化剂。

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图3.  本工作性能与已有报道性能对比

该自上而下的制备方法同时也赋予了Ir单原子与基体紧密锚定的特性,该催化剂在1.5V的恒电位测试40h后,电流密度只降低了2.1%。同时测试后的XPS和高分辨STEM表征发现该IrSA-Ni2P催化剂催化前后结构几乎未发生变化。表明该催化剂同时具有结构和性能稳定性,具备作为工业催化剂的前景。

同时,谷猛课题组研究人员通过这种方法,进一步获得了Ru、Rh、Au等单原子负载的Ni2P,验证了该制备方法的普适性,为“自上而下“单原子催化剂的研究提供了更实用且可靠的研究思路。

谷猛课题组研究学者王琦、蔡超,徐虎和南科大物理系博士生张哲为本论文的第一作者,谷猛与Joseph S. Francisco为论文共同通讯作者,南科大材料科学与工程系副教授李磊、化学系讲席教授李隽是共同作者,南科大是论文第一单位。

同时,谷猛课题组联合美国中佛罗里达大学教授杨阳课题组、匹兹堡大学教授王国峰在国际顶级期刊Advanced Materials上发表了题为“Dual-Doping and Synergism toward High-PerformanceSeawater Electrolysis”的研究论文。

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图4.  Fe,P-NiSe2催化剂的结构表征

 该研究通过耦合Fe、P研究了双掺杂效应以调控Fe,P-NiSe2 NFs的表面电子结构和组成,从而提升海水电解的活性和选择性。通过Fe掺杂可以有效提高OER的活性和选择性,而P掺杂可以有效提高材料的电导率和稳定性。以该Fe,P-NiSe2 NFs为双功能催化剂设计的海水电解池,在1.8 V电压下获得了0.8A cm-2的电流密度,经过200小时连续运行后,催化活性和O2选择性无明显衰减。该研究为理性设计开发新型双功能非贵金属催化剂的基础研究以及直接海水电解制取高纯氢气的应用提供了新思路。

中佛罗里达大学学者常进法、王冠芝,美国西北太平洋实验室学者杨振中,匹兹堡大学学者李柏杨和王琦为论文第一作者,谷猛、杨阳和王国峰为论文通讯作者。

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图5.  CoF2-CoS2(CoFS)对OER/ORR路径示意图

此外,在电催化领域,晶格失配应变引起的晶体局部原子排列的变化可以通过多种方式有效地调节Zn-空气电池(ZABs)电催化剂的性能,这得益于调节的电子结构影响了氧还原和析氧反应(ORR和OER)中形成的氧中间体的吸附能。然而,由于溶解、破坏等结构不稳定性导致的应变松弛,阻碍了应变工程在电催化领域的应用,导致其较差的ORR/OER耐久性。

为了解决上述应变催化剂的结构不稳定性问题,谷猛课题组联合美国中佛罗里达大学教授杨阳、得克萨斯大学奥斯汀分校助理教授刘远越、俄勒冈州立大学教授冯振兴报道设计了一种自支撑的CoF2-CoS2(CoFS)纳米多孔膜,其中使用少量的Cu来促进CoFS的相变,可有效调节在两相界面上进行的晶格应变,进而解决应变松弛,达到有效提升了ORR/OER耐久性的目的。相关研究成果在Energy & Environmental Science上在线发表。论文题目为“Doping-modulated strain control of bifunctional electrocatalysis for rechargeable zinc–air batteries”。

中佛罗里达大学学者李朝、王琦、德克萨斯州大学奥斯丁分校xiaowanbai、俄勒冈州立大学学者王茂宇为论文第一作者,谷猛、杨阳、刘远越和俄勒冈州立大学教授冯振兴为论文通讯作者

相关课题的开展和完成得到了国家自然科学基金、广东省创新创业研究团队、深圳市孔雀计划、深圳市清洁能源研究所和南方科技大学分析测试中心大力支持。

 

论文链接:

第一篇:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c04682

第二篇:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202101425

第三篇:https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/EE/D1EE01271A


 

供稿:材料科学与工程系

通讯员:周斌

主图:丘妍

编辑:朱增光


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