北理工團(tuán)隊(duì)在超低電壓下實(shí)現(xiàn)工業(yè)級(jí)電流密度產(chǎn)氫方面取得重要進(jìn)展
發(fā)布日期：2025-01-02 供稿：化學(xué)與化工學(xué)院 攝影：化學(xué)與化工學(xué)院
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近日,，北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院馮廣特別研究員,、黃志琦教授團(tuán)隊(duì)在超低電壓下實(shí)現(xiàn)工業(yè)級(jí)電流密度產(chǎn)氫方面取得重要進(jìn)展。相關(guān)研究成果以“High-Entropy Alloy Nanoflower Array Electrodes with Optimizable Reaction Pathways for Low-Voltage Hydrogen Production at Industrial-Grade Current Density”為題目,，發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)期刊《Advanced Materials》（DOI: 10.1002/adma.202416200）,。北京理工大學(xué)馮廣特別研究員、黃志琦教授和北京大學(xué)夏定國(guó)教授為共同通訊作者,，化學(xué)與化工學(xué)院碩士研究生李少波和侯鈺瑩為共同第一作者,，北京理工大學(xué)為第一通訊單位。
利用可持續(xù)能源發(fā)電進(jìn)行電解水制氫（OWS）被認(rèn)為是替代化石能源制取高純綠氫切實(shí)可行的手段,。但由于其陽(yáng)極析氧反應(yīng)（OER,，1.23 V vs. RHE）是一個(gè)復(fù)雜的四電子轉(zhuǎn)移過程，反應(yīng)動(dòng)力學(xué)緩慢,，導(dǎo)致相對(duì)較高的工作電壓（>1.6 V）才能達(dá)到工業(yè)級(jí)電流密度（1000 mA cm-2）,，所帶來(lái)的高昂電力成本以及過度依賴貴金屬基催化劑限制了OWS技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用。近年來(lái)研究表明,，采用熱力學(xué)上更有利的肼氧化反應(yīng)（HzOR）代替緩慢的陽(yáng)極OER是實(shí)現(xiàn)低電壓,、高效制氫的一種有效的策略。但目前肼氧化輔助產(chǎn)氫（OHzS）系統(tǒng)所依賴的電催化劑存在一些固有的局限性,，特別是組成和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,，本征活性有限。此外,，現(xiàn)有關(guān)于OHzS系統(tǒng)機(jī)理的研究主要集中在一種反應(yīng)途徑上,，未能全面反映反應(yīng)過程的復(fù)雜性和真實(shí)性。目前,，高熵合金（HEA）催化劑因其獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)已發(fā)展成為最熱門的催化劑之一,。然而，高熵合金的潛在催化性能尚未得到充分挖掘,。特別是,，大多數(shù)研究集中在粉體高熵合金催化劑上，在工業(yè)級(jí)電流密度下，這些催化劑往往會(huì)從基底上脫落,，造成活性急劇下降,。由于合成挑戰(zhàn)，精確構(gòu)建具有更明顯優(yōu)勢(shì)的一體化自支撐高熵合金納米片或納米花陣列電極還很少被報(bào)道,。
基于前期研究工作基礎(chǔ)（Feng G, et al, Adv. Mater., 2024, 36, 2309715; Feng G, et al, Nat. Commun., 2019, 10, 4514; Feng G, et al, J. Am. Chem. Soc., 2021, 143, 17117; Feng G, et al, J. Am. Chem. Soc., 2023, 145, 11140; Feng G*, Huang ZQ*, et al, Energy Rev. 2025, 4, 100105）,，本工作創(chuàng)新性地構(gòu)筑了NiCoMoZnCu高熵合金納米花陣列（HEANFA）電極，其具有豐富的高活性位點(diǎn)和可優(yōu)化的反應(yīng)路徑,，在超低電壓下實(shí)現(xiàn)了工業(yè)級(jí)電流密度產(chǎn)氫,。在堿性HER和HzOR中均具有極為優(yōu)異的催化活性。當(dāng)采用HEANFA同時(shí)作為OHzS系統(tǒng)的陰極和陽(yáng)極時(shí),，該系統(tǒng)表現(xiàn)出空前的產(chǎn)氫性能,，分別僅需0.260、0.376和0.646 V的超低工作電壓即可實(shí)現(xiàn)500,、1000和2000 mA cm-2的工業(yè)級(jí)電流密度,，相比于同等條件下電解水制氫系統(tǒng)節(jié)省電壓1.5V以上，而且顯著優(yōu)于目前報(bào)道的其他OHzS系統(tǒng)以及其他小分子氧化輔助制氫體系,。
DFT計(jì)算表明,，HEANFA在整個(gè)OHzS系統(tǒng)中的突出性能歸功于其在HER和HzOR中豐富的高活性位點(diǎn)以及可優(yōu)化的反應(yīng)路徑，尤其是在HzOR過程中實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵中間產(chǎn)物的智能化遷移,，從而優(yōu)化反應(yīng)路徑,，將非活性位點(diǎn)轉(zhuǎn)化為高活性位點(diǎn)。本工作不僅首次構(gòu)建了HEANFA電極,，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)級(jí)電流密度下超低電壓制氫,，而且為高熵催化劑在能源相關(guān)領(lǐng)域中的其他獨(dú)特催化特性的揭示提供了重要參考。
圖1 NiCoMoZnCu HEANFA的形貌和結(jié)構(gòu)表征圖,。
圖2 NiCoMoZnCu HEANFA對(duì)OHzS的電催化性能,。
圖3 HER和HzOR的DFT計(jì)算結(jié)果。
本研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金和北京理工大學(xué)青年教師學(xué)術(shù)啟動(dòng)計(jì)劃項(xiàng)目的資助及北京理工大學(xué)分析測(cè)試中心的支持,。
文章鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202416200
附課題組成員簡(jiǎn)介：
馮廣,，北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院特別研究員，博士生導(dǎo)師,。主要從事電解水制氫,、電化學(xué)重整耦合制氫以及氫燃料電池等新能源轉(zhuǎn)換技術(shù)中新型高效納米催化劑/電極的設(shè)計(jì)與構(gòu)筑、電解池和燃料電池等高效器件搭建及性能調(diào)控,、氣液固三相界面催化反應(yīng)機(jī)理研究等,。近幾年發(fā)表SCI論文20余篇，包括以第一作者/通訊作者身份發(fā)表在Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc.(2篇), Adv. Mater.(2篇), Angew. Chem., Int. Ed., Energy Rev., Adv. Sci.等國(guó)際期刊10余篇,，其中ESI高被引論文4篇,，熱點(diǎn)論文2篇，期刊封面論文1篇。申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利3項(xiàng),，實(shí)現(xiàn)成果轉(zhuǎn)化1項(xiàng),。主持國(guó)家自然科學(xué)基金和北京理工大學(xué)青年教師學(xué)術(shù)啟動(dòng)計(jì)劃各1項(xiàng)，參與國(guó)家自然科學(xué)基金2項(xiàng),。
黃志琦，北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院準(zhǔn)聘教授,，博士生導(dǎo)師,。主要聚焦電催化二氧化碳還原、電解水等反應(yīng)體系,，圍繞氣-固-液三相界面微觀,、介觀反應(yīng)動(dòng)力學(xué)開展研究。迄今為止在國(guó)際權(quán)威雜志發(fā)表SCI學(xué)術(shù)論文40余篇,，其中以通訊/第一作者在Nat. Commun.（3篇）,、J. Am. Chem. Soc.（2篇）等期刊發(fā)表論文10余篇，總被引近1400次,，單篇最高被引319次,。主持國(guó)家自然科學(xué)基金和北京理工大學(xué)青年教師學(xué)術(shù)啟動(dòng)計(jì)劃項(xiàng)目。
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