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我所在酸性條件下長壽命非貴金屬電解水催化劑方面取得新進展

  近日,我所催化基础国家重点实验室、太阳能研究部韩洪宪研究員和李灿院士团队与日本理化学研究所(RIKEN)Ryuhei Nakamura教授研究团队合作,在酸性条件下非贵金属电催化分解水研究方面取得新进展,相关研究成果发表在《德国应用化学》(Angew. Chem. Int. Ed.)上。

  將太陽能轉化爲俗稱“液態陽光”的“太陽能燃料”,是應對未來化石燃料枯竭和氣候變化的重要可再生能源策略。近年來,太陽能等可再生能源發電逐步成爲最爲廉價的發電技術。利用光伏發電驅動電解水(PV-E)制氫,是目前最爲可行的大規模可再生能源制氫技術之一。在衆多電解水技術中,質子交換膜(PEM)電解水技術受到廣泛關注。但是迄今爲止,只有貴金屬IrOx能在PEM酸性環境和陽極極化條件下穩定分解水,這極大限制了PEM電解水技術的大規模應用。因此,開發能夠取代貴重金屬Ir的廉價、高效、酸性穩定的析氧(OER)催化劑,對發展PV-PEM大規模制氫技術尤爲重要。太陽能研究部長期致力于光催化、光電催化和電催化分解水技術:在電催化方面,相繼發展了鎳鐵氫氧化物(Angew. Chem. Int. Ed.,2014;J. Am. Chem. Soc.,2016),多金屬雙功能催化劑FeCoNi(ACS Catal.,2018),CoOx納米顆粒催化劑(Chem. Sci.,2017), 单核锰水氧化催化剂(Nature Catalysis,2018)等分解水電催化劑。然而,這些催化劑均面臨酸性條件下穩定性不高問題。

  目前,尚沒有關于在酸性條件下長壽命穩定分解水的非貴金屬電催化劑的相關報道。本工作中,科研人員發現γ-MnO2在特殊電位窗口範圍內,可實現酸性條件下穩定的水分解性能,並實現了8000多小時的穩定性測試。該合作研究團隊利用原位光譜電化學等分析方法,系統地研究了γ-MnO2在酸性條件下電催化水氧化反應的活性、穩定性等問題,確定了γ-MnO2酸性條件下分解水的活化、水氧化反應和腐蝕失活反應的三種電勢相關性。實驗表明,控制電解水反應在一定的OER電位窗口範圍內進行是γ-MnO2在酸性條件下穩定工作的一個必要條件。這一工作爲發展能夠取代IrOx的過渡金屬基的廉價、穩定高效的OER電催化劑提供了新的思路。

  该工作得到了国家自然基金委项目、科技部重点研发计划纳米科技专项、RIKEN国际项目助理研究计划(IPA)等资助。这也是献礼我所七十周年所庆文章之一。(文/图 李爱龙、韩洪宪)

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