我系吴仁兵、方方团队在高效非贵金属析氢电催化剂 研究方面取得新进展
发布时间:2018-07-03 

近年来,随着化石能源使用造成的环境污染日益严重,清洁和可持续能源呼叫的开发和使用越来越响亮。氢气作为清洁能源,原料丰富,燃烧值高,无污染。科学家和公众都有很高的期望。为了开发氢能技术,必不可少的步骤是通过电化学反应将水转化为氢,但是析氢反应所需的过电位高,并且需要添加催化剂以降低过电位并提高反应速率。最近,我是吴仁兵和芳芳团队在高效非贵金属析氢电催化剂领域的最新研究成果:《超细的钴纳米颗粒包覆在石墨烯嫁接的碳纳米管中作为先进的电催化剂用于析氢反应》(“纳米碳纳米管 - 接枝石墨烯片中的超细Co纳米粒子作为氢进化的先进电催化剂反应“)该问题发表在材料科学权威期刊《先进材料》(Advanced Materials)(2018,DOI: 10.1002/adma.201802011)。

研究小组突破了利用过渡金属纳米材料开发高活性氢析出反应电催化剂的瓶颈,创造性地制备了零维钴纳米粒子,一维氮掺杂碳纳米管和二维石墨烯偶联的分数复合材料。该结构体系解决了铁,钴,镍等纳米粒子等过渡金属对氢原子的吸附性强,不易脱附,易结块,比表面积小,在操作环境下不稳定的问题。电解质。活性和稳定性的研究结果接近贵金属铂的研究结果。这篇文章的第一作者是博士。学生陈子良,吴仁兵,方芳为合着者。该研究工作由国家自然科学基金,中央组织部青年千人计划和澳门太阳城app硕士课程共同资助。

从水到氢,即析氢反应,只有通过高活性析氢电催化剂的作用才能实现水的高效和低成本电解。目前,贵金属铂是最优秀的催化剂,但铂元素在地球上的含量较少,而且价格昂贵,这意味着很难投入大规模的应用,因此许多研究人员希望开发出类似的替代品。过渡金属元素如铁,钴和镍,虽然这些元素具有良好的催化性能,但催化效果仍然与铂的催化效果大不相同,同时,在这些过渡金属元素的催化过程中,如纳米颗粒很容易生产。团聚减少了诸如表面活性的问题,因此这种催化剂的效果不令人满意。

(a)扫描电子显微照片,(b)透射电子显微照片,(c)高分辨率透射电子显微照片和(d)Co @ N-CNTs @ rGO催化剂的示意图

吴仁兵教授和芳芳开始研究过渡金属元素作为析氢催化剂的问题。该团队使用壳壳锌基/钴 - 咪唑鎓酯涂层石墨烯的夹层结构制备了零维钴纳米粒子,一维氮掺杂碳纳米管和两个同步热还原,蒸发和碳化。一个模板。一种分层复合结构系统,其中耦合石墨烯。在作为析氢反应催化剂的常规过渡金属元素的研究工作中,金属元素对氢具有强吸附能,并且不易解吸氢。 。该复合体系通过掺杂碳调节钴对氢原子的吸附能,同时,在复合结构体系中,被碳层包围的金属纳米粒子不易结块,表现出优异的活性和稳定性。性别。此外,碳层的保护还避免了其他物质如电解质对金属的腐蚀,从而确保稳定和可持续的析氢。该体系具有高导电性,大比表面积,丰富的孔隙率,钴纳米粒子的高分散性和完全暴露的活性位点(钴 - 氮 - 碳),使其在用作析氢反应电催化剂时成为酸和碱。电解质中的析氢催化活性接近贵金属铂基催化剂。

理论分析(a)LSV曲线,(b)塔菲尔斜率,(c)循环稳定性和(d)Co,C和N组分对Co @ N-CNTs @ rGO催化剂的析氢反应的影响

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在析氢电催化剂研究方面的突破不仅促进了电解水制氢技术的优化,而且提供了在低成本条件下提取高纯氢的可能性,这不仅提供了更科学的研究。廉价元素取代昂贵元素的方向也将对清洁能源产业产生深远影响,特别是在氢能利用领域。

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