《Angewandte Chemie International Edition》报道我校阴离子交换膜电解水制氢催化剂研究新进展
日期：
2024-10-24
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近日，我校材料科学与工程学院清洁能源材料与器件团队在阴离子交换膜电解水制氢催化剂领域取得重要进展，相关成果以“Oxygen Plasma Triggered Co-O-Fe Motif in Prussian Blue Analogue for Efficient and Robust Alkaline Water Oxidation”为题在线发表在国际权威期刊《Angewandte Chemie International Edition》上。利用可再生能源驱动电解水制氢被认为是实现“碳中和”目标的重要手段之一。在众多电解水技术中，阴离子交换膜电解水（AEMWE）制氢技术在氢气纯度、电解效率、制氢速率、冷启动时间等方面具有优势，同时可以摆脱催化电极及槽体对贵金属的依赖。目前，3d过渡金属基电催化剂在碱性电解质中表现出优异的催化性能。然而，在工业级电流密度条件下，这类催化剂的长期稳定性仍然是领域内的重要挑战。针对上述问题，我校研究团队创新性地采用高功率氧等离子体处理技术，精确调控了CoFe双金属普鲁士蓝类似物（PBA）析氧催化剂的局域原子近程结构：在保留PBA晶体结构框架的同时，通过破坏局域氰基配体并引入氧原子，成功构建了Co-O-Fe的结构基元，进而将析氧反应路径从传统的吸附物演化反应机制（AEM）调节为动力学更优的晶格氧氧化反应机制（LOM）。研究团队进一步利用同步辐射及原位谱学表征技术证明了局域Fe与Co位点之间的协同作用机制，即电子由Co-O-Fe结构基元向Fe位点转移，进而促进了高价态Co活性中心形成，同时有效避免Fe位点过度氧化而溶解失活。氧等离子体处理后的PBA催化剂在工业级电流密度下表现出优异的析氧反应活性和长期运行稳定性，在电流密度为1 A cm-2时，仅需276 mV的过电位；用该催化剂为阳极材料组装的AEMWE制氢系统仅需1.76 V便可达到1.0 A cm-2的制氢电流密度，并能持续运行超250 h而无明显衰减。这项工作克服了传统非贵金属催化剂在工业级电流密度下稳定性差的难题，为平衡催化剂活性和稳定性的材料结构设计提供了新的思路。该研究工作以华东理工大学为唯一通讯单位。我校材料科学与工程学院博士生徐皓观和硕士生朱辰为论文第一作者，我校刘鹏飞副教授、袁海洋副教授、杨化桂教授为通讯作者，研究工作得到了国家自然科学基金重点项目、上海市基础研究特区等项目的支持。文献链接：https://doi.org/10.1002/anie.202415423
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