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新型催化剂“助跑”氢能汽车

来源:中国科学报   更新时间:2019-06-03 13:06:35    

  氢气作为新一代清洁能源,具有无污染、燃烧值高、资源广泛的优势。生产氢气的最常见方法是通过水裂解产生氧气,进而形成氢气。这一电/光电催化析氧反应(OER)过程中,涉及四电子转移的复杂反应过程,具有反应动力学缓慢和较大的过电位,限制了整体的能量转换效率。

  为此,科研人员研究出贵金属铱作为催化剂加速反应效率。但不可否认,铱的成本太高,每克单价接近黄金的两倍。

  长久以来,科研人员一直想要找到廉价的替代品,然而,研究的成果往往整体催化效率较低且催化机理和活性位点难以捉摸。

  近日,浙江大学化学工程与生物工程学院研究员侯阳通过仿生学的方法,设计并开发出一种单原子OER催化剂,将高度分散的镍单原子锚定在氮—硫掺杂的多孔纳米碳基底上,用于高效电/光电催化水裂解析氧反应。相关成果在线发表在《自然—通讯》上。

  发现镍—氮配位掺杂的碳材料

  要设计新型催化剂,侯阳课题组从材料的原子结构开始剖析。课题组发现在叶绿体中存在一种金属—氮配位卟啉结构。该结构能够收集太阳能,利用光合作用氧化反应分解水,并释放出氧气。

  “近年来,类似镍、钴、铁等过渡金属与氮配位掺杂的碳材料被认为是OER反应过程中催化剂的有力候选者。”侯阳告诉《中国科学报》,研究进一步分析发现了镍—氮配位掺杂的碳材料。在这一特殊结构中,四个氮原子“拉着”金属镍原子,吸引氢氧根离子吸附,降低了各种中间环节的转换难度,进而加速氧气析出。“与析氢反应相比,析出氧气是四电子反应,相对来说更难制备,氧气产生了,氢气制备的问题就迎刃而解。”

  为了进一步加快催化效率,课题组继续改进镍—氮配位结构。“镍—氮配位掺杂的碳材料结构相对稳定,就好像四个力量相当的人各往一个方向使出均匀的力度。”于是,侯阳课题组提出能否换置其中的氮原子,如同换上一个不同的大力士,适当地协调中心镍原子对氢氧根离子的吸附和后续产物的解吸附能力。

  之后,研究团队采用球差校正扫描透射电子显微镜、电子能量损失谱、X射线近边吸收光谱和扩展X射线吸收光谱等手段,首次揭示了镍单原子锚定在氮—硫掺杂的多孔纳米碳催化材料中,原子级分散的镍单原子与周围3个氮原子及1个硫原子形成配位结构,共掺杂到纳米碳骨架作为催化活性位点。理论计算结果阐明,硫原子的引入优化了镍—氮掺杂纳米碳表面的电荷分布,大幅度降低了OER反应势垒,进而极大地加速了OER反应动力学,从而使其高效的电/光电催化性能和优良稳定性。

  “用1个硫单原子替换1个氮只是其中一种方法,由此可以选择不同力量的单原子进入镍—氮配位结构中,打破原有的稳态,形成新的催化剂,这也为系列催化材料奠定了基础。”侯阳说。

  新催化剂优势尽显

  镍—氮材料极不稳定,需要“锚定”在碳基底上,侯阳将这个过程比喻为“就像船靠岸的时候,从船上扔下一个很重的锚不让船动”。通过工艺迭代,研究人员制备的负载在氮—硫共掺杂多孔纳米碳上的镍单原子催化剂展现出独特的2D层状结构,其厚度约为32纳米,长度大约为几微米。得益于高比表面积和高度分散活性位点,这种新型催化剂电极在碱性条件下表现出优异的电催化水裂解析氧活性和稳定性。

  实验发现,该团队研制的镍单原子锚定氮—硫掺杂的多孔纳米碳催化剂,相比市场上广泛应用的商业铱基催化剂,其过电位降低了大约5%,即驱动反应的能量降低5%,同时成本降低了约80%以上,并且稳定性大幅度提高,展现出工业级电解水制氢的潜能。

  OER析氧反应需要由电或光电驱动,课题组将制备的电催化剂进一步选择性沉积在氧化铁电极表面,形成一个高效的太阳能驱动水裂解整合光阳极。“通过这一设计,能够利用太阳光能产生电能,驱动整个催化反应,节省了额外的驱动电源。”

  汽车跑得远须提升电池效能

  OER析氧反应是水裂解器件和金属—空气电池的核心过程。谈及未来的应用,侯阳介绍,新一代燃料电池汽车,对高能量密度提出重要需求,水裂解产生的氢气能源将发挥重要作用。与此同时,以锂硫电池为动力的新能源汽车目标是500瓦时/公斤,让汽车可以跑一天。未来要进一步提高电池效能,就需要金属—空气这一新型燃料电池,OER析氧反应是其中氧化反应的重要一环。

  记者了解到,该研究不仅设计并开发出一种高效、稳定的过渡金属——氮—硫原子级电催化剂,还为如何设计低成本、高活性人工固氮合成氨、二氧化碳高值化利用和氧还原催化材料的设计提供了新的思路。

  该项工作得到了国家自然科学基金、浙江省杰出青年基金和浙江大学“百人计划”启动基金等项目的支持。合作完成工作的还有德国德累斯顿工业大学及华中师范大学的研究人员。

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