摘要
氢气具有高燃烧热、无污染等特点,是替代化石燃料的理想能源.电催化水分解为高纯度氢气被认为是一种很有前途的方法.电催化分解水的关键是开发高性能、低成本的电催化剂.铂基电催化剂在酸性和碱性介质中都表现出良好的电催化活性,但经济成本限制了其进一步应用.近期研究表明,由过渡金属基材料组成的异质结构电催化剂也表现出高效电催化析氢的潜力.异质结构电催化剂的晶格匹配程度影响其界面电子结构,进而决定了析氢反应的动力学和活性.因此,开发用于析氢反应的晶格匹配异质结构电催化剂的构建方法具有重要意义,也颇具挑战性.为了解决上述问题,李炫华教授课题组及合作者报道了一种梯度加热外延生长方法,采用该方法制备了晶格匹配良好的MO_(2)C-MO_(2)N异质结构电催化剂,并用于高效制氢(Angew.Chem.Int.Ed.,2022,61,e202209703).NH3状态温度图和密度泛函理论结果表明,NH3分子被吸附在MO_(2)C的(101)面上,作为MO_(2)N的成核位点.通过调节加热过程,可使吸附的NH3分子从不稳定的物理吸附转化为化学吸附,有效地调节了MO_(2)N的成核和生长过程,避免MO_(2)C和MO_(2)N之间的晶格失配,使得电导率增加2.5倍,电化学活性面积增加1.7倍.MO_(2)C-MO_(2)N晶格匹配良好的异质界面,电子从MO_(2)C传输到MO_(2)N,MO_(2)C-MO_(2)N的费米能级接近Mo位点的费米能级,电子转移到Mo活性位点,而Mo位点具有较低的氢吸附自由能,促进了H*的吸附和解吸行为.同时,考察了MO_(2)C-MO_(2)N异质结构电催化剂电催化水分解反应过程中的过渡态、吸附能、中间产物以及相应能垒下的可能反应途径.H_(2)O分解过程包括:H_(2)O首先在催化剂表面发生吸附和活化,然后解离成H*和OH*并转化为H*或OH–,最后以较低的反应吉布斯自由能实现H2析出.除了晶格匹配的异质界面电催化剂的设计外,电催化体系的构建也对电催化活性起着重要作用.典型的电催化水分解系统通常在液相水下工作,液相水具有很高的析氢传输阻力,不利于反应进行.文章作者将太阳能引入电催化系统,并以表面碳化木材、Ti泡沫、MO_(2)C-MO_(2)N、Nafion膜和IrO_(2)为原材料合理设计了光热电催化水蒸气裂解装置,实现了电催化水蒸气裂解制氢.具体过程如下:将表面碳化木材作为蒸汽发生器,在光照射下通过光热蒸腾效应将液态水转化为水蒸气,由于其强大的光收集能力和固有的多孔结构,可使太阳能蒸汽转化效率达到67.2%;将MO_(2)C-MO_(2)N和IrO_(2)作为阴极和阳极负载在Ti泡沫上,并采用Nafion膜进行阳极到阴极的质子传输.通过上述策略设计巧妙的催化装置晶格匹配良好,MO_(2)C-MO_(2)N表现出与商业Pt/C相当的催化性能,并且连续反应150 h后稳定性没有衰减.综上,文章提出了一种调节异质结构电催化剂界面晶格匹配度的新方法,为晶格匹配电催化剂的设计提供了依据;同时,作者设计的高效生产H2电催化水蒸气裂解装置为其他采用各种原位表征技术的光热辅助催化系统的开发提供了参考.
Hydrogen(H2)is an ideal energy source for the fossil energy due to its high latent heat and pollution-free.Using electrocatalysis to split water into high purity H2 is deemed as a promising method[1–3].The key issue for electrocatalytic water splitting is to develop a high-performing and low-cost electrocatalysts.Pt-based electrocatalyst exhibits great electrocatalytic activity in both acid and alkaline media,while the cost limits its further development[4,5].Recently research shows that heterostructure electrocatalyst composed of transition metal-based materials also exhibits potential for achieving efficient electrocatalytic hydrogen evolution[6].Interestingly,the lattice-matched degree of heterostructure electrocatalysts affect its interfacial electronic structure,determining the kinetics and activity of hydrogen evolution reaction[7].Hence,finding a way to obtain a lattice-matched heterostructure electrocatalyst for hydrogen evolution is meaningfully but challenging.
作者
宋少青
Shaoqing Song(School of New Energy,Ningbo University of Technology,Ningbo 330013,Zhejiang,China)
