中國科大在酸性電解水催化劑開發上取得重要進展

時間:2019-08-29 17:35:18 來源:合肥微尺度物質科學國家研究中心

  近日,合肥微尺度物質科學國家研究中心的周仕明研究小組與南開大學胡振芃課題組合作真人游戏平真人游戏平台真人游戏平真人游戏平台,在氫能源研究領域取得了重要進展,他們通過構筑復合釕基氧化物開發出酸性條件下高效穩定的電解水催化劑,相關成果以“Quadruple perovskite ruthenate as a highly efficient catalyst for acidic water oxidation”為題發表在《自然?通訊》上真人游戏平真人游戏平台。


  氫能源是當前最具應用前景的高效清潔新能源技術。相比傳統的甲烷水蒸氣重整制氫工藝,電化學分解水特別是與高效質子交換膜匹配的酸性條件下分解水過程,具有工藝簡單真人游戏平真人游戏平台、產物純度高、無碳排放等顯著優勢,有望成為下一代清潔制氫方法。電解水涉及析氫和析氧兩個半反應,其中具有緩慢動力學過程的析氧反應極大制約了電解水的效率,迫切需要開發出相應的高效析氧催化劑。然而,大部分具有析氧催化活性的過渡金屬及其氧化物在酸性條件下普遍存在氧化溶解的問題。當前,貴金屬氧化物二氧化釕和二氧化銥被認為是僅有的相對高效的商業酸性析氧催化劑,但是它們都還存在明顯的缺點。其中二氧化釕雖然具有相對較高的催化活性但在酸性條件下依然容易被氧化溶解,而二氧化銥雖然相對穩定但催化活性活性較低且價格極其昂貴。因此,開發在酸性條件下具有低貴金屬含量、高催化活性和高穩定性的析氧催化劑是電解水領域面臨的核心挑戰。


  周仕明研究小組基于長期在復雜過渡金屬氧化物結構與物性探索的基礎上,創新性的設計并開發出具有低釕含量、高催化活性和高穩定性的復合釕基氧化物酸性析氧催化劑真人游戏平真人游戏平台真人游戏平真人游戏平台。該復合釕基氧化物具有CaCu3Ru4O12的化學式,在傳統的固相燒結合成條件下真人游戏平真人游戏平台,該化合物形成了穩定的復雜四鈣鈦礦晶體結構,如圖1所示。相比簡單的二氧化釕真人游戏平真人游戏平台,該復合氧化物在單位質量下釕含量降低了21%。酸性條件下的電化學測試表明,該復合釕基氧化物在催化析氧達到10 mA.cm-2的電流密度下僅需要171 mV的過電位,是截至目前相關領域報道的最低值。并且,在24小時的長時間測試下真人游戏平真人游戏平台,該催化劑的活性沒有明顯的下降。相比于商業二氧化釕催化劑,該復合釕基催化劑的質量活性提高了超過兩個數量級,穩定性提高了超過一個數量級真人游戏平真人游戏平台。南開大學的胡振芃課題組進一步為該工作提供了理論支持真人游戏平真人游戏平台真人游戏平真人游戏平台。通過第一性原理計算,他們揭示了該四鈣鈦礦結構中的析氧活性位點為釕金屬離子真人游戏平真人游戏平台真人游戏平真人游戏平台。并且,相比于具有銳鈦礦結構的二氧化釕,該四鈣鈦礦結構中釕金屬離子具有明顯低的4d能帶中心。在該電子結構特征下,催化位點釕金屬離子與氧中間體的鍵合強度得到了優化,從而顯著提高了其本征催化活性。該項研究不僅開發了一種高效酸性析氧催化劑,也為相關領域的進一步突破提供了新的思路真人游戏平真人游戏平台。

/uploads/image/2019/08/30/c2d37651496c7ae6cc1c62baab3ab2b1.png

圖1. 復合釕基氧化物CaCu3Ru4O12電解水示意圖(左)及其析氧活性(右)


  合肥微尺度物質科學國家研究中心苗憲兵博士與南開大學張麗芙博士為該篇論文的共同第一作者。該研究工作得到了基金委、教育部等項目的支持。


  附論文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-019-11789-3


相關文章

真人游戏平真人游戏平台