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基于亚纳米铜簇单元促进的高效碱性全水裂解催化剂

能源问题是在任何时代、区域背景下均需重点考虑的关键问题,而在保护环境的前提下构建一个完整而持续的未来能源结构则是目前紧迫环境下需要全人类正视的巨大挑战。氢气作为潜在的绿色能源载体,是目前被认为能够减轻化石燃料过度使用问题的明星能源之一,而相关的制备、存储、运输技术则直接决定了其在整体能源消费总量中所占的比重。 目前,工业制备氢气主要的方法是甲烷蒸汽重整与煤气化过程,这两种方法都无法避免化石燃料的消耗和二氧化碳的排放,显然与清洁可持续发展的目标相悖。与这两种主要的制氢方法相比,电解水制氢技术被广泛认为是非常有前景的绿色制氢路线:其原料是水,产物是氢气和氧气,反应过程清洁,并且所需电能可以利用太阳能、风能等可持续能源转化获得。然而,由于电解水实际上是一个高能耗过程,反应过程中水还原(HER)和水氧化(OER)两个半反应均需要大量的贵金属催化剂来提高能量利用率,导致发展这种环境友好的制氢路线的代价始终远高于甲烷蒸汽重整与煤气化过程,因而至今在应用上仍旧受到极大的限制。因此,必须发展廉价的非贵金属催化材料来同时降低两个半反应的能垒,促进水裂解反应的发生,提高能量利用率。也就是说,发展水裂解制氢的关键技术之一是催化材料革新。


最近,吉林大学邹晓新点击查看介绍课题组与北京航空航天大学张瑜点击查看介绍课题组合作,报道了一种新型的以泡沫铜为载体,亚纳米铜簇与准无定形金属硫化物(CoSx)复合的电极材料同时具备高效的析氢和析氧催化活性。由该双功能材料组装的碱性电解池,在1.50 V电压下即可获得10 mA/cm2的电流密度,稳定时间超过200 h。该性能略优于贵金属催化剂Pt/C-IrO2构成的电解池,并在更大的电流密度区间体现出更明显的活性优势。进一步的实验对比与理论研究表明,除却准无定形金属硫化物(CoSx)本身的催化活性之外,合成过程中形成的亚纳米铜簇能够有效诱导材料表面电荷的重新分布,同时促进催化过程中水分子在材料表面的解离吸附。这篇文章首次提出亚纳米铜簇单元对水裂解反应的促进作用,为进一步设计合成高效的非贵金属水裂解提供新思路。


相关论文发表在Advanced Materials上,第一作者为吉林大学博士研究生刘一蒲


该论文作者为:Yipu Liu, Qiuju Li, Rui Si, Guo-Dong Li, Wang Li, Da-Peng Liu, Dejun Wang, Lei Sun, Yu Zhang* and Xiaoxin Zou*

原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Coupling Sub-Nanometric Copper Clusters with Quasi-Amorphous Cobalt Sulfide Yields Efficient and Robust Electrocatalysts for Water Splitting Reaction

Advanced Materials, 2017, DOI: 10.1002/adma.201606200


导师介绍

邹晓新

http://www.x-mol.com/university/faculty/31093

张瑜

http://www.x-mol.com/university/faculty/19054


X-MOL催化领域学术讨论QQ群(210645329


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