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怀柔实验室山西研究院前瞻布局工作开始初见成效
怀柔实验室山西研究院山西能源和化工 / 时间:2024-03-18 09:33:14

中国化工报3月15日讯:近期,怀柔实验室山西研究院与太原理工大学的合作取得新进展,李晋平教授团队在阴离子膜电解水制氢领域的最新研究成果分别以《Activating lattice oxygen based on energy band engineering in oxides for industrial water/saline oxidation》和《Stable hydrogen evolution reaction at high current densities via designing the Ni single atoms and Ru nanoparticles linked by carbon bridges》为题发表在国际知名期刊Energy & Environmental Science和Nature Communications上。怀柔实验室山西研究院前瞻布局工作开始取得实质性成效。

阴离子交换膜电解水(AEMWE)制氢技术具有低成本和动态响应特性,有望实现大规模应用,但其较高过电势引起的高能耗和低能效阻碍了产业化推广。针对这一问题,李晋平教授团队通过Fe3+和F-稳定的氧空位优化NiOOH能带结构,使得Ni3d能级下降、O2p能级上升,减弱了Ni-O键强度,激活晶格氧高效参与析氧反应,从而降低析氧反应能耗。所得的F-NiFeO在碱性水中过电位为290 mV,在盐水中过电位为295 mV,F-NiFeO ||Pt/C对在1.71 V下电流密度可达1 Acm-2,并可在阴离子交换膜电解槽中稳定运行140 h以上(见图1)。该工作以《Activating lattice oxygen based on energy band engineering in oxides for industrial water/saline oxidation》为题发表在Energy & Environmental Science(论文链接:http://dx.doi.org/10.1039/D4EE00214H)

在阴极析氢催化材料方面,钌(Ru)因与铂(Pt)相当的析氢能垒、氢键强度及合理的价格,有望代替Pt基催化剂并实现规模化应用。然而,析氢反应中间体·OH在Ru上的强吸附往往导致Ru活性位点的过度覆盖,需合理调节Ru的·OH吸附环境以实现稳定析氢。针对这一问题,李晋平教授团队开发了一种环境友好的单极脉冲电沉积(UPED)技术,将超小的Ru纳米颗粒(2 nm)与锚定在缺陷碳的镍单原子(NiSAs)耦合,获得了一种高效的UP-RuNiSAs/C阴极产氢催化材料。该材料中的NiSAs与Ru纳米颗粒对·OH中间体的竞争吸附,保证了其在大电流密度下仍能高效、稳定产氢,其中碳桥作为媒介实现了Ni和Ru位点之间的物种传输。以UP-RuNiSAs/C催化剂为阴极组装的AEM电解槽装置在1 A cm-2的电流密度下显示出仅1.95 V的槽压,稳定运行6300小时以上(见图2)。该成果以《Stable hydrogen evolution reaction at high current densities via designing the Ni single atoms and Ru nanoparticles linked by carbon bridges》为题发表在Nature Communications(论文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-024-46553-9)。

目前,李晋平教授团队正在持续开发用于AEM电解槽制氢的廉价高效电极及其规模化制备方法,有望为推进AEM电解水制氢的商业化进程提供重要的技术支撑。(本刊有删节)详情见怀柔实验室山西研究院山西能源和化工官网


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