综合新闻 News
联系我们
  • 客服服务电话:021-64321087
  • 商业服务电话:13918059423
  • 技术服务电话:13918059423
  • 联系人:崔老师 
  • 服务邮箱:shxtb@163.com
  • 地址:上海市徐汇区桂林路100号8号楼107室

苏州纳米所崔义团队:金属型W/WO2固体酸催化剂促进碱性电解水制氢

日期: 2023-09-12
浏览次数: 13

原创 创新实验室 中国科学院苏州纳米所 

氢气作为一种高热焓、零碳排放的能源,在未来绿色能源社会中扮演着重要的角色。通过电解水的形式将太阳能、水能、风能等可持续能源以电能的形式转化成化学能储存在氢气中是一条非常经济且绿色的产氢途径。碱水电解产氢可以避免酸腐蚀电极和催化剂的腐蚀溶解,达到高效制备纯氢的目的,同时也能与其它工业半反应(氯碱化工)联用,显示出更广泛的应用前景。相比于酸性环境中质子直接耦合电子的析氢反应(2H+ + 2e-→H2),碱性介质中质子的缺乏需要通过额外的水电离补充(H2O + e- → H* + OH-),这直接导致其电解水析氢活性比酸性环境低2~3个数量级,极大地阻碍了碱水电解析氢反应的规模化应用。

由于可调的化学和电子结构,过渡金属氧化物是碱水电解析氢的潜在优质催化剂。特别是后元素周期表的钨/钼基氧化物催化剂,由于其比前过渡周期常用的3d磁性金属Fe, Co, Ni等元素具有更宽的价态调控区间(0~+6),使得其在电催化应用中具有更强的化学和电子结构调控能力。针对碱水电解缺质子的关键科学问题,后元素周期表的钨/钼氧化物可以通过形成常见的弱酸中间体(钨酸/钨青铜HxWOy,钼酸/钼青铜HxMoOy)来调控催化剂表层的酸度,进而创造一种类酸性环境促进表层析氢反应的发生,而传统的3d磁性金属仅能形成诸如Fe(OH)2, Co(OH)2, Ni(OH)2类的碱性氢氧化物,显然,钨/钼氧化物在碱性电解液中构建类酸催化界面层的优势是其它金属氧化物所不具备,这也是我们设计固体酸催化剂应用于碱性电解水析氢反应的初衷。

在本工作中,研究者通过合理的热处理条件,在泡沫镍基底上设计出W/WO2金属型异质结材料,其中WO2作为一类比较特殊的氧化钨物种,兼具金属和氧化物的特性,其丰富的氧缺陷环境和金属特性,使得W/WO2催化剂表层类酸界面更容易形成(WO2 + H2O + e- → HxWOy + OH-),同时金属特性以及阴极保护的特点导致水电离和溶液中的OH-对氧化钨本体的腐蚀减弱(WOx + OH→ WO42- + H2O),更加有利于W/WO2固体酸长效稳定地催化碱水电解制氢反应。

碱性环境中捕捉W/WO2异质结催化剂表层HxWOy中间产物,成为鉴定催化剂表层类酸催化界面构建成功的关键。崔义研究员团队充分发挥苏州纳米所真空互联实验装置(Nano-X)在能源催化方向的表征优势,进行了如下工作:首先,针对WO2H2O分子反应形成钨青铜HxWOy这一过程,研究者通过近常压X-射线光电子能谱(NAP-XPS)的通水测试(0.1 mbar)(图1a),发现W/WO2异质结材料具有优异的解水能力,主要特征是代表氧缺陷的O 1s XPS特征峰在通水后消失,而W-OHH2O吸附峰出现(图1bc),充分说明了W/WO2表层吸附水和解离水的能力;其次,W/WO2异质结材料经过碱水电解产氢反应后,研究者通过二次离子飞行质谱(TOF-SIMS)成功捕捉到催化剂表层产生大量的水合氢离子(H3O+),这充分说明催化剂表面已经酸化(图1 d, e, f);最后,通过反射电子能量损失谱(REELS)证实了W/WO2表面氢元素的浓度是与施加电位相关的,施加低于30 mV的超低过电位即可导致催化剂表层酸化程度趋向商业钨酸材料(H2WO4)(图1g)。因此,结合Nano-X相关谱学表征,研究者成功获得W/WO2异质结材料在碱水电解析氢过程中表层酸化的证据。

同时,为了进一步确认酸化中间产物的化学特性,结合热催化过程常见的谱学表征,研究者利用氢固体核磁(1H MAS NMR, 1h)和吡啶红外(Py-IR, 1i)分别证实了W/WO2中氢的化学环境趋向商业H2WO4,同时Py-IR表征则证实了W/WO2表层形成的HxWOy酸化物种具有布朗斯特酸特性,即质子的吸附和脱附特性,说明构建的W/WO2异质结材料本质上是一类固体酸材料。


苏州纳米所崔义团队:金属型W/WO2固体酸催化剂促进碱性电解水制氢

1. Nano-X能源催化方向相关设备捕捉W/WO2表层酸性中间体:(aNAP-XPS通水测试示意图,W/WO2材料在超高真空(UHV)和0.1 mbar水气氛下采集的(bO 1s和(cW 4f XPS谱,(dTOF-SIMS谱图,(e)浸泡样品和(f)催化反应后样品催化剂表层H3O+的二维成像图,W/WO2催化剂经过不同电位处理后的(gREELS谱,(h1H MAS NMR,(iPy-IR谱。

该研究工作为廉价钨钼基氧化物材料高效稳定地催化碱水电解制氢提供了一种全新研究思路。相关工作以Metallic W/WO2 solid-acid catalyst boosts hydrogen evolution reaction in alkaline electrolyte为题发表于期刊Nature Communications请点击“阅读原文”查看论文论文的共同第一作者是中国科学院苏州纳米所i-lab/Nano-X博士后陈志刚(已入职重庆理工大学)、徐州工程学院巩文斌博士和上海同步辐射光源王娟助理研究员,通讯作者为中国科学院苏州纳米所崔义研究员上述研究工作得到了国家自然科学基金面上项目、青年项目、中国科学院青年科学家项目、中国科学院青年交叉团队、江苏省博士后基金和Nano-X平台的支持。


Hot News / 相关推荐
  • 2024 - 06 - 24
    点击次数: 0
    2024年6月20日下午,市工经联组织参观上海城市数智体验馆活动。上海城市数智体验馆位于杨浦区,总面积7100㎡,于2023年4月7日揭牌开馆。展馆围绕“经济、生活、治理”三大领域,系统展示上海城市数字化转型的规划布局、重大项目、标杆场景,展现经济数字化转型的“创新之力”、生活数字化转型的“惠民之策”及治理数字化转型的“智慧之治”。在参观过程中,大家亲身体验了裸眼3D技术、精妙的光效场景以及众多实...
  • 2024 - 06 - 24
    点击次数: 0
    2024年6月20日下午,市工经联组织参观上海城市数智体验馆活动。上海城市数智体验馆位于杨浦区,总面积7100㎡,于2023年4月7日揭牌开馆。展馆围绕“经济、生活、治理”三大领域,系统展示上海城市数字化转型的规划布局、重大项目、标杆场景,展现经济数字化转型的“创新之力”、生活数字化转型的“惠民之策”及治理数字化转型的“智慧之治”。在参观过程中,大家亲身体验了裸眼3D技术、精妙的光效场景以及众多实...
  • 2024 - 06 - 24
    点击次数: 0
    来源:北京大学化学与分子工程学院自二苯铬发现以来,金属芳烃配合物即成为一类重要的金属有机化合物。过渡金属芳烃配合物中的配位芳烃通常被认为是中性的,而稀土金属则更倾向与芳烃负离子形成配合物。相较于萘和蒽等稠环芳烃,苯的还原电势极低(–3.42 V vs. SCE),因此稀土的苯负离子配合物相对较少。目前已报道的稀土苯配合物主要为苯单负离子和苯二负离子(图1a),以及Diaconescu课题组和黄闻亮...
  • 2024 - 06 - 24
    点击次数: 0
    来源:福建物质结构研究所最近新兴的线性[HgSe2]和三角形[HgSe3]非线性光学(NLO)活性基元受到了相当大的关注,但由于实验上的挑战,基于独特的线性和平面NLO基元开发新型红外NLO材料的成功案例非常罕见。近期,中国科学院新疆理化技术研究所潘世烈研究员和李俊杰研究员研究团队采用刚性-柔性基元耦合的策略设计并合成了一种具有同成分熔融性质的新型汞基硒化物Hg7P2Se12,且生长了尺寸约为 7...
  • Copyright ©Copyright 2018  2020 上海市稀土协会 All Rights Reserved 沪ICP备2020034223号-1  沪公网安备 31010402010140号
    主办单位:上海市稀土协会 指导单位:上海市稀土材料开发应用办公室 承办单位:上海稀土产业促进中心 
    犀牛云提供企业云服务