Energist 能源學人 2020.6.15
近年來受傳統能源危機和環境污染等問題的影響，氫能作為一種可持續且環境友好的新型能源，受到了廣泛關注。電化學水分解可在無碳排放的情況下生產高質量的氫氣，為人們提供了一種具有廣泛應用前景且高效的產氫方法。但電解水制氫也存在一些限制其規模化發展的瓶頸，如缺乏高效的電催化劑以降低制氫能耗。為了進一步提高水解反應動力學并實現大規模工業化，研發具有高性能和低成本的非貴金屬雙功能電催化劑至關重要。過渡金屬磷化物（TMPs）作為一類間隙化合物，具有高的導電性、電催化活性及電化學穩定性，近年來認因為是替代Pt等貴金屬催化劑的首選。Ru作為Pt族的一員，具有類Pt的析氫活性和高于Pt的析氧活性，而且其價格僅為Pt的4%，具有非常廣闊的應用前景。因此用低載量的Ru去進一步提高磷化物的HER,OER雙活性并將其應用于全水解制氫是解決電解水瓶頸問題的值得期待的方法。此外，考慮到太陽能的豐富性，建立以低Ru負載的過渡金屬磷化物為催化劑的太陽能制氫系統無疑是電解水制氫技術的最佳選擇。
【工作介紹】
近日，武漢理工大學木士春課題組等人利用類普魯士藍（PBA）為前驅體通過先水熱載釕再低溫固相磷化的方法獲得了Ru摻雜的過渡金屬磷化物Ru-MnFeP/NF雙功能催化劑。并且通過XRD, XPS, SEM, STEM等表征手段對催化劑的物相和結構進行了研究。電化學測試結果表明，這種由PBA衍生而來的獨特的納米片花結構擁有很高的本征活性和豐富的活性位點，在堿性條件下展現了優異的HER和OER活性與穩定性。基于此, 當將其組裝為兩電極電解槽時，可擁有很低的全解水電壓。最后，他們將該全水解裝置與太陽能電池聯用，成功構建和演示了太陽能制氫系統。該文章發表在國際頂級能源期刊Advanced Energy Materials上。碩士生陳釘為本文第一作者。
【內容表述】
為了實現高效電解水制氫，催化劑材料尤為關鍵。其不僅需要滿足高活性、高穩定性的性能需求，同時也需要滿足低成本、來源廣泛和易于合成的實際要求。本文設計的HER、OER雙功能電催化劑Ru-MnFeP/NF集合了PBA的結構優勢和磷化物及Ru的性能優勢，同時控制了成本，且易于合成。將原位生長在泡沫鎳（NF）上的MnFe-PBA通過水熱載釕處理和低溫固相磷化處理即可獲得超低Ru(1.08 wt%)負載的過渡金屬磷化物Ru-MnFeP/NF。與其他對比樣品如MnFeP/NF、Ru-MnFe等的比較可以發現，得益于Ru摻雜后優化的電子結構配置、獨特的納米片花結構和改善的含氫、含氧中間體的吸附過程，Ru-MnFeP/NF催化劑在1 M KOH溶液中呈現出了優異的析氫和析氧電催化活性。
電化學測試結果表明，當OER、HER電流密度分別達到20 mAcm-2、10 mA cm-2時Ru-MnFeP/NF所需要的過電勢僅分別為191mV和35 mV。該催化劑的OER和HER活性超過了大多數的過渡金屬磷化物，甚至達到了Pt的HER電催化水平。此外，組裝的全水解裝置在10 mA cm-2的電流密度下以極低的電壓（1.470 V）實現了水的全分解。最后，為了解決電解水制氫技術中電力來源問題，進一步將該全水解裝置與太陽能電池聯用，構建了太陽能制氫系統，使Ru-MnFeP/NF催化劑的規模化應用成為了可能。
Ding Chen, Zonghua Pu, Ruihu Lu, Pengxia Ji, Pengyan Wang, Jiawei Zhu, Can Lin, Hai‐Wen Li, Xiangang Zhou, Zhiyi Hu, Fanjie Xia, Jingsong Wu, Shichun Mu, Ultralow Ru Loading Transition Metal Phosphides as High‐Efficient Bifunctional Electrocatalyst for a Solar‐to‐Hydrogen Generation System, Adv. Energy Mater., 2020, DOI: 10.1002/aenm.202000814
作者簡介：
木士春，武漢理工大學首席教授。長期致力于碳基納米材料、質子交換膜燃電池和電解水催化劑的應用基礎研究。目前，以第一作者或通訊作者在Adv Mater、J Am Chem Soc、Angew Chem Int Ed、Energ Environ Sci、Adv Energy Mater、Adv Funct Mater、ACS Nano、Nano Energy、ACS Catal、ACS Energy Lett等國內外權威期刊上發表200余篇高質量SCI學術論文。以第一發明人申請國家發明專利97件，其中授權73件。