Advanced Materials刊发绿色能源化工团队工业前景铁基高效制氢催化剂研究新进展

发布时间:2019-11-22作者:浏览次数:489

近日,重质油国家重点实验绿色能源化工团队在具有工业应用前景的铁基高效制氢催化剂研究方面取得新进展,相关论文《磷化调控构筑工业前景反尖晶石结构四氧化三铁用于高效催化制氢》(Modulation of Inverse Spinel Fe3O4by Phosphorus Doping as an Industrially Promising Electrocatalyst for Hydrogen Evolution)在国际材料领域顶级期刊Advanced Materials发表。我校化学工程学院2016级应用化学专业本科生张嘉奇为论文第一作者,化学工程学院柴永明教授、理学院董斌副教授为共同通讯作者,中国石油大学(华东)为唯一署名单位。

随着全球范围能源革命的兴起和我国能源生产与能源消费革命战略部署的快速推进,氢能获得了世界各国的高度重视,被认为是理想清洁能源载体和化石能源绿色转化原料,是同时兼具能源/资源双重属性的“分子桥梁”。然而,目前常规电解水制氢采用贵金属催化剂,从制造成本和地球储量上都受到限制,迫切需要开发新的廉价高效催化剂。目前碱性电解水制氢是最具工业化前景的技术,但是其质子供给有限,制约了性能的提高。因此,如何在解决质子供给的同时,还可以保持高导电性和结构稳定性是构建高效碱性析氢催化剂的重大挑战!

针对上述问题,绿色能源化工团队等以廉价易得的铁基材料为基底,通过预氧化结合可控磷化的方式,构建出了P掺杂反向尖晶石Fe3O4的P-Fe3O4/IF催化剂。该催化剂实现了“一石二鸟”,不仅具有极高水解离活性,而且具有高导电性和稳定性。

图1可控磷化构筑反尖晶石结构P-Fe3O4/IF制氢催化剂示意图

所制备的催化剂P-Fe3O4/IF显示出了高催化活性(138 mV实现100 mA cm-2,比贵金属Pt/C仅低了5 mV)。通过进行碱性全水分解显示,在1M KOH中全水分解过电位仅为1.47 V,可以承受1000 mA cm-2长时间1000h的稳定性测试;在模拟工业电解水条件(10000 mA cm-2、6M KOH、60℃)下测试实验表明,25000s测试周期内其活性不衰减,展现了很好的工业应用潜力。

图2反尖晶石结构P-Fe3O4/IF催化剂电催化制氢性能测试

理论计算表明,该催化剂(P-Fe3O4/IF)的高活性主要来自于独特的双水分子解离机制。图3展示了HER反应中的水解离能垒,当双水分子二聚体同时吸附时,一个水分子的氧与八面体空位Fe吸附,而另一个水分子的氢与反尖晶石结构中的O通过氢键结合,两个水分子之间通过氢键相连,极大的降低了水分子解离的能垒,从而高效析出氢气。

图3磷化构筑反尖晶石结构P-Fe3O4/IF高效析氢机制图

该研究成果获得匿名审稿专家的充分肯定,审稿专家一致认为该工作所提出的可控磷化策略原位构筑反尖晶石结构P-Fe3O4具有很好的创新性,且利用成本低廉的铁基材料使得催化剂在工业应用方面具有较大潜力,为规模化高效绿色制氢研究提供了新的参考。

Advanced Materials是国际顶级材料类杂志,主要报道先进材料、纳米科技与功能器件等相关领域的最新研究成果,在能源、材料、化学、生物、交叉学科等领域内具有很高影响力,最新影响因子25.809。

绿色能源化工团队多年来致力于能源资源高效绿色转化过程研究,在化石能源催化加氢转化、氢能制取、电催化制氢/热催化加氢耦合、生物质催化转化等领域取得了一系列基础与应用研究成果。近5年团队承担国家重点研发计划、国家自然科学基金重点项目、山东省自然科学基金重大基础研究项目、国家自然科学基金面上项目、中国石油重大专项、中海油科技专项等各类课题20多项,授权国家发明专利30多项,团队在Advanced Materials、Advanced Functional Materials、Applied Catalysis B、Journal of Catalysis等SCI一区期刊发表相关研究论文30多篇,ESI高被引论文11篇。

全文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201905107