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化工学院泰山学者团队候利强、刘尚果等在电解水领域取得新进展
作者:候利强  审核:刘福胜 张岩 来源:化工学院  编辑:秦洪庆 点击:[] 日期:2022年04月25日

氢气是一种无碳的清洁能源,被广泛的认为是一种有希望代替化石燃料的新型能源。利用可再生能源(如太阳能,风能等),通过电解水的方式转化为持续稳定的化学能氢气,是未来氢能发展的重要战略方向。近日,化工学院泰山学者团队在电催化析氢催化剂的制备及其应用方面取得新进展。该团队采用一种双金属有机框架限域磷钼酸的策略,制备出了P掺杂多孔碳负载P和Mo双掺杂Ru超小纳米团簇的高效析氢催化剂(P, Mo-Ru@PC)。

该工作以“P and Mo dual doped Ru ultrasmall nanoclusters embedded in P-doped porous carbon toward efficient hydrogen evolution reaction”为题发表于期刊《Advanced Energy Materials》(Adv. Energy Mater. 2022, 2200029. IF=29.368,中科院一区TOP期刊)上。

作者首先采用透射电镜(TEM)以及高角度环形暗场扫描透射电镜(HAADF-STEM)表征手段,揭示了P, Mo-Ru@PC为粒径超小的纳米团簇。HAADF-STEM图表明,P, Mo-Ru@PC的原子排列顺序为ABABAB…的六方密堆相(hcp)结构,且图中清晰晶格条纹对应于Ru的(101)和(100)晶面。此外,由于P和Mo的掺杂,使P, Mo-Ru@PC的晶格间距大于纯相hcp Ru。单个纳米颗粒的EDX线扫描和mapping图表明了Mo和P成功掺杂到了Ru的晶体结构中。

随后采用X射线光电子能谱(XPS)、X射线吸收近边结构(XNAES)和扩展X射线吸收精细结构(EXAFS)表征手段,揭示了P, Mo-Ru@PC中Ru与Mo和P之间会发生电子转移,这使得HO-H的裂解过程更容易进行,从而使催化剂P, Mo-Ru@PC表现出优异的HER活性。

在碱性电解质中,P, Mo-Ru@PC仅需过电位为21 mV,其电流密度就可达到10 mA cm-2。另外,该催化剂中Ru的含量仅为1.8 wt%,在碱性介质中都表现出极高的质量活性。当过电位为25 mV时,其质量活性高达1525 mA mgRu-1,是商业20 wt% Pt/C质量活性(70 mA mgPt-1)的21.8倍。

理论计算表明,P和Mo原子的引入促进了电荷再分配,大大降低了H-OH键断裂的能垒,加速了水的离解,从而使该催化剂在碱性介质中的析氢活性大大增强。

该工作以青岛科技大学为第一单位,得到了山东省泰山学者人才工程等资助。博士生李创、Haeseong Jang、刘尚果博士为论文共同第一作者,刘希恩教授、候利强特聘副教授、Prof. Cho为论文的共同通讯作者。

文章链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.202200029

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