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X一MOL资讯:氮磷双掺杂核壳结构复合纳米材料RuP2@NPC用于全pH范围的高效析氢反应
来源:木士春教授课题组 个人网站 发布日期:2017-12-19

2017-12-19 X一MOL资讯

注:文末有研究团队简介 及本文作者科研思路分析

随着对化石燃料燃烧引发的空气污染和全球气候变暖的日趋关注,开发清洁、高效、可持续的能源迫在眉睫。氢是一种理想的能源载体,具有单位质量能量密度高、可循环利用和绿色环保等优点,未来还可广泛用作燃料电池的能源。然而,自然界中的氢并不以氢气分子的形式存在,因此发展可持续的氢气制备技术十分关键。从长远来看,电解水制取氢气是最有前景的方式。以水作为原料不但取之不尽、用之不竭,而且氢燃烧放出能量后又生成产物水,不会对环境造成任何污染。然而多年来,水电解制氢技术的进展缓慢,其主要原因在于过高的电能消耗增加了制氢成本。这就需要大幅降低电极极化,其中的关键之一是降低阴极析氢反应的过电位,实现低电位下的大电流产氢。一直以来,铂基贵金属催化剂公认为是优异的析氢催化剂,但高昂的价格和极度匮乏的资源限制了其广泛的应用。因此,发展低成本、高效的非Pt电解水析氢催化剂成为研究的热点。

近日,武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室木士春教授课题组在电化学制氢的研究中取得重要进展。他们首先通过理论计算发现,氮磷双掺杂的碳可有效降低富磷的二磷化钌(RuP2)对氢的吸附自由能,从而达到与铂催化剂接近的氢吸附自由能。随后,他们利用绿色的植酸作为磷源成功合成了氮磷双掺杂的碳为壳、RuP2为核的核壳结构复合纳米材料 (RuP2@NPC)。该合成方法具有简单、安全和可大规模化制备等优点。

电化学实验表明,制备得到的复合纳米结构在中性,甚至强酸、强碱条件下电解水制氢,均表现出与贵金属铂媲美的析氢性能。例如,作为酸性析氢电催化剂,在电流密度为10 mA?cm-2时,其过电位仅为38 mV,表现出与商用铂碳(Pt/C)电催化剂相似的电催化析氢活性。同时,氮磷双掺杂碳层可原位包覆在RuP2表面,有效保护RuP2,从而改善其电化学稳定性。因此,这种独特的复合纳米结构可促使RuP2的催化活性及稳定性得到大幅度提升。更重要的是,该研究工作中使用的贵金属钌价格仅为铂的10%(目前价格),表现出广阔的应用前景。这一研究成果已于Angewandte Chemie International Edition 在线发表。文章的第一作者为博士研究生蒲宗华,通讯作者为木士春教授。

该论文作者为:Zonghua Pu, Ibrahim Saana Amiinu, Zongkui Kou, Wenqiang Li, Prof. Shichun Mu

原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面):

RuP2-based Catalysts with Platinum-like Activity and Higher Durability for Hydrogen Evolution Reaction at All pH Values. Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 11559, DOI: 10.1002/anie.201704911

木士春教授简介

木士春,武汉理工大学教授,主要从事石墨烯材料、质子交换膜燃料电池关键材料与核心器件、锂离子电池关键材料以及电催化析氢等研究工作;近年来,研发出具有自主知识产权的高性能燃料电池芯片(CCM),将其成功应用于100 kW的大功率燃料电池发动机,并实现向美国大批量出口CCM产品(20余万片);发现并报道了两种新的石墨烯制备方法,为低成本宏量制备石墨烯奠定了坚实的基础;研制和遴选出多种在全pH范围内具有类铂活性和高稳定性的过渡金属磷化物非铂析氢催化剂;近年来,承担国家863计划课题、国家973计划课题、国家重点研发计划(纳米专项)课题、国家自然基金项目等10余项科研项目;作为第一/通讯作者已在J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Adv. Mater. Interfaces、Nano Energy 等国内外期刊上发表120余篇SCI论文,并以第一发明人的身份申请国家发明专利88项,其中授权61项;2014年入选国际电化学能源科学院(IAOEES)理事,并担任欧盟石墨烯旗舰计划项目评审专家,同时担任Nature 出版集团旗下两种期刊Scientific Reports (editorial board member)、Frontiers in Energy Research (section Energy Storage)的编委(编辑)及Journal of Nanoscience Letters 的资深编辑。

木士春简介

http://www.x-mol.com/university/faculty/47822

课题组网站链接

http://www.polymer.cn/ss/shichunmu/index.html

http://bbs.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=441048&view=springbamboo


科研思路分析

Q:这项研究最初是什么目的?或者说想法是怎么产生的?

A:我们致力于电化学能量转换与储存材料的研究,围绕这一方向开展了电解水制氢反应等催化剂方面的研究,目的是开发廉价且高活性的电解水制氢催化剂。过渡金属二磷化物(TMPs)作为一类富磷的金属磷化物,其催化析氢活性高于富金属的磷化物。然而,该方向的研究工作鲜有报道。因此,如何设计和制备富磷的过渡金属磷化物并将其用于电催化析氢有利于降低过电位,进而实现在低电位下的大电流析氢成为大幅降低制氢成本的关键问题。基于此想法,我们开展了这项工作。

Q:研究过程中遇到哪些挑战?

A:该研究中最大的挑战是如何控制实验条件形成富磷的金属磷化物。在这一过程中,我们在合成过渡金属磷化物方面的经验积累起到了至关重要的作用。此外,我们的这种合成策略最多只能得到金属二磷化物,如何得到更高富磷的金属磷化物仍需进一步的研究。

Q:该研究成果可能有哪些重要的应用?哪些领域的企业或研究机构可能从该成果中获得帮助?

A:该金属磷化物催化剂可用于全pH值下电解水制取氢气,具有与商业铂催化剂媲美的析氢活性和优于商业铂催化剂的稳定性,将对降低电解水制氢的电极极化和能耗产生积极的推动作用。

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