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浙大侯阳EES 具有快速水解离动力学特性的原子级Ni-N-C包覆金属Ni电催化剂用于高效析氢 [来源]:ZJU News          [作者]:           [日期]:2018-09-11          [访问次数]:3328    

     氢能作为一种新型可再生能源和清洁能源,具有能量密度大、转化效率高、储量丰富和对环境无污染等特性,得到了人们广泛关注。碱性条件下电催化分解水产氢(HER)作为一种简便高效的制氢方法被广泛应用于工业生产及相关特种行业。碱性HER反应主要包括两个连续过程:(1)解离水分子(Volmer步骤)补充所需H+;(2)还原材料表面吸附的H+产生氢气。其中,水解离Volmer过程是碱性条件下HER催化反应过程的速率限制步骤。为了提高HER反应动力学,发展高活性、低成本的可替代商业Pt/C的非贵金属电催化剂对于降低HER反应动力学过电位,同时实现电催化水分解制氢的大规模器件化具有重大意义。此外,进一步探究材料的电催化活性位点并理解其催化反应机制,将为发展高效的非贵金属碱性电解水制氢催化剂提供重要理论基础。

     近日,浙江大学化工学院侯阳课题组在碱性电解水析氢反应研究中取得重要进展。研究人员采用水热自组装和高温裂解耦合技术,构建出一种金属-氮掺杂的纳米碳包裹金属粒子复合材料并对其电催化水裂解析氢性能进行了详尽研究。在该复合体系中,原子级分散Ni-N结构掺杂的纳米碳材料包覆颗粒尺寸为25~50 nm的金属Ni纳米粒子,形成了一个具有较高比表面积(140 m2g−1)的杂化超级结构。

     电催化析氢活性研究表明,该Ni NP|Ni-N-C/EG电极在碱性环境中表现出优异的析氢催化活性。在电流密度达到10 mA cm-2时,其电化学析氢过电势仅为147 mV,其性能可与目前报道最佳的异质原子(金属或/和非金属)掺杂纳米碳催化材料相媲美,甚至优越于部分过渡金属化合物基电催化剂。此外,Ni NP|Ni-N-C/EG电极的Tafel斜率为114 mV/dec,小于Ni-N-C/EG电极的183 mV/dec,展现出更快的反应动力学特性。

     研究者采用球差校正扫描透射电子显微镜、SCN-中毒实验、X射线近边吸收光谱和扩展X射线吸收光谱等手段,证明了Ni NP|Ni-N-C/EG催化材料中原子级分散的Ni-N结构掺杂的纳米碳材料作为催化活性中心。理论计算结果阐明,金属Ni纳米粒子的存在优化了Ni-N掺杂纳米碳表面的电荷分布,降低了HER反应过程中水解离步骤的能量势垒,极大地加速了碱性析氢反应的质子动力学过程,从而导致其高效的电催化性能和优良稳定性。

     这项工作不仅设计并开发出一种高效稳定的原子级金属-氮-碳包覆金属纳米颗粒电催化剂,还为如何设计低成本高活性人工固氮、二氧化碳转化和氧还原催化材料的设计提供了新的思路。

     工作得到了国家自然科学基金和浙江大学“百人计划”启动基金等项目的支持。相关论文以“Efficient Alkaline Hydrogen Evolution on Atomically Dispersed Ni–Nx Species Anchored Porous Carbon with Embedded Ni Nanoparticles by Accelerating Water Dissociation Kinetics”为题发表在国际能源环境领域权威期刊Energy and Environmental Science(影响因子30.067)上。该项成果由浙江大学、德国德累斯顿工业大学及华中师范大学合作完成。论文第一作者为浙江大学硕士研究生雷超君。浙江大学为该论文的第一及通讯作者单位。

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