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木士春教授课题组实现了酸性高效电解水制氢

发布时间:2020-08-24 10:36

  

  近日,我校材料复合新技术国家重点实验室木士春教授课题组联合广东佛山仙湖实验室在酸性电解水制氢领域取得重要进展,研究成果已在国际能源材料顶级刊物ACS Energy Letters上在线发表。

  电解水制氢被认为是最具发展前景的一种制氢技术。然而,其催化材料通常在酸性条件下的不稳定,而且其阳极析氧反应(oxygen evolution reaction, ORR)动力学速率缓慢,严重制约了酸性电解水制氢技术发展。目前常用的析氧催化剂是二氧化铱(IrO2),但其价格高昂。与之相比,二氧化钌(RuO2)价格相对低廉,且具有较高的析氧催化活性,但其在较高的工作电压下会被氧化为四氧化钌(RuO4),而且其晶格氧还会参与氧气的析出,使催化剂稳定性降低。因此,制备高性能的钌基酸性析氧催化剂成为当前面临的一大挑战。

 

 

  近年来,木士春教授课题组在电解水制氢催化剂的设计、构筑及电催化机理等方面开展了大量研究工作,已在Angew Chem Int EdEnergy Environ SciAdv Energy MaterAdv Funct MaterNano EnergyJ Catal等国际权威期刊上发表40余篇高质量的相关论文。在此工作基础上,最近,他们首次借助离子热方法合成出了具有较高稳定性的二硼化钌(RuB2)。 当将其用于酸性电解水析氧半反应时,该催化材料仅需223 mV 的过电势即可实现10 mA cm-2 的析氧电流密度。密度泛函理论(DFT)计算证实,与RuO2相比, RuB2可具有较低的催化活化能,因此表现出高的析氧活性。此外,RuB2晶体结构中无晶格氧,能够有效地避免晶格氧参与氧气的析出,从而使RuB2表现出更高的催化析氧稳定性。同时,RuB2还在酸性下表现出不俗的析氢性能。因此, 当将其作为双功能催化剂组装成电解槽进行全解水时,仅需1.525 V的超低电压就可以达到10 mA cm-2的电流密度。这是迄今为止报道的酸性电解质中最低水分解电压值之一。毫无疑问,RuB2所提供的前所未有的酸性电催化活性将有助于高效电化学产氢。

  论文第一作者为武汉理工大学硕士研究生陈钉,木士春教授和蒲宗华博士为本文共同通讯作者。该项研究获得了国家自然科学基金(No.51672204)及国家重点研发计划(No. 2016YFA0202603)等项目的支持。
  论文链接:Ionothermal Route to Phase-Pure RuB2 Catalysts for Efficient Oxygen Evolution and Water Splitting in Acid Media

  https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.0c01384 

  

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