寧波材料所電催化製氫領域新進展

據中國科學院報道：隨(sui)著(zhe)人(ren)們(men)對(dui)生(sheng)活(huo)品(pin)質(zhi)要(yao)求(qiu)的(de)大(da)幅(fu)提(ti)高(gao)以(yi)及(ji)國(guo)家(jia)層(ceng)麵(mian)能(neng)源(yuan)政(zheng)策(ce)的(de)調(tiao)整(zheng)，可(ke)再(zai)生(sheng)能(neng)源(yuan)將(jiang)會(hui)在(zai)可(ke)見(jian)的(de)未(wei)來(lai)扮(ban)演(yan)極(ji)其(qi)重(zhong)要(yao)的(de)角(jiao)色(se)。然(ran)而(er)，可(ke)再(zai)生(sheng)能(neng)源(yuan)存(cun)在(zai)間(jian)歇(xie)性(xing)問(wen)題(ti)，例(li)如(ru)太(tai)陽(yang)能(neng)受(shou)到(dao)晝(zhou)夜(ye)變(bian)化(hua)
、陰(yin)雨(yu)天(tian)氣(qi)的(de)限(xian)製(zhi)，風(feng)能(neng)受(shou)到(dao)氣(qi)候(hou)以(yi)及(ji)風(feng)速(su)不(bu)穩(wen)的(de)影(ying)響(xiang)
，因(yin)此(ci)，需(xu)要(yao)大(da)力(li)探(tan)索(suo)可(ke)再(zai)生(sheng)能(neng)源(yuan)富(fu)餘(yu)電(dian)力(li)轉(zhuan)化(hua)技(ji)術(shu)。其(qi)中(zhong)
，電(dian)催(cui)化(hua)製(zhi)氫(qing)氣(qi)技(ji)術(shu)是(shi)目(mu)前(qian)最(zui)優(you)的(de)方(fang)案(an)之(zhi)一(yi)。根(gen)據(ju)電(dian)解(jie)質(zhi)的(de)不(bu)同(tong)

，可(ke)分(fen)為(wei)堿(jian)性(xing)電(dian)催(cui)化(hua)製(zhi)氫(qing)和(he)酸(suan)性(xing)電(dian)催(cui)化(hua)製(zhi)氫(qing)。對(dui)於(yu)堿(jian)性(xing)電(dian)催(cui)化(hua)製(zhi)氫(qing)，難(nan)點(dian)是(shi)陰(yin)極(ji)上(shang)的(de)析(xi)氫(qing)，而(er)對(dui)於(yu)酸(suan)性(xing)電(dian)催(cui)化(hua)製(zhi)氫(qing)，難(nan)點(dian)是(shi)陽(yang)極(ji)上(shang)的(de)析(xi)氧(yang)。

近(jin)年(nian)來(lai)，中(zhong)國(guo)科(ke)學(xue)院(yuan)寧(ning)波(bo)材(cai)料(liao)技(ji)術(shu)與(yu)工(gong)程(cheng)研(yan)究(jiu)所(suo)所(suo)屬(shu)新(xin)能(neng)源(yuan)所(suo)研(yan)究(jiu)員(yuan)陳(chen)亮(liang)團(tuan)隊(dui)針(zhen)對(dui)以(yi)上(shang)所(suo)述(shu)的(de)兩(liang)個(ge)電(dian)催(cui)化(hua)製(zhi)氫(qing)難(nan)題(ti)，通(tong)過(guo)實(shi)驗(yan)與(yu)理(li)論(lun)的(de)有(you)效(xiao)結(jie)合(he)開(kai)展(zhan)研(yan)究(jiu)。其(qi)中(zhong)，博(bo)士(shi)研(yan)究(jiu)生(sheng)葛(ge)瑞(rui)翔(xiang)通(tong)過(guo)簡(jian)單(dan)的(de)浸(jin)漬(zi)塗(tu)覆(fu)和(he)低(di)溫(wen)磷(lin)化(hua)的(de)方(fang)法(fa)
，選(xuan)擇(ze)性(xing)地(di)製(zhi)備(bei)得(de)到(dao)了(le)碳(tan)布(bu)負(fu)載(zai)的(de)磷(lin)化(hua)釕(liao)納(na)米(mi)顆(ke)粒(li)薄(bo)膜(mo)（RuP/CC）。在堿性溶液中，這種新型析氫催化劑電極輸出10mAcm-2電流密度時僅需要13mV的過電勢，是目前析氫活性最好的催化劑之一。理論計算證明RuP的優秀活性來源於其獨特的電子結構：與RuP2相比，RuP的Ru位點上電子密度更高，增強了RuP對溶液中質子的吸附強度，因此具有更好的析氫活性 (Nanoscale, 2018, 10, 13930)。蘇建偉以Ru陽離子交換後的金屬有機框架衍生物作為前驅體，在空氣中焙燒製備了由超小納米晶粒組裝而成的Cu摻雜的RuO2空心八麵體材料。在10mAcm-2電流密度下，其過電位僅為188mV，表現出比商用RuO2電催化劑更優異的電催化析氧活性和穩定性。密度泛函理論模擬計算發現，高能麵上的三配位Ru原子在反應過程逐步被氧化從而大幅度降低OER的反應能壘，同時Cu摻雜可以調整RuO2的電子結構

，從而大幅度提高其OER催化活性(Advanced Materials, 2018, 30, 1801351)。

最近
，林貽超基於Cr基金屬有機框架材料，通過吸附RuCl3前驅體、退火等手段成功製備出新型CrO2-RuO2固溶體材料。通過PXRD晶修、Vegard’law 驗證等技術確定了CrO2-RuO2固溶體的結構
，並通過原子分辨球差電鏡直接觀察到Cr
、Ru原子均勻分布於同一個納米單晶中。該材料在10mA cm-2電流密度下，其過電位僅為178mV
，並且經過10000次循環後
，過電位僅升高了11mV，遠優於商業RuO2。通過同步輻射近邊吸收測試發現Ru原子在晶體結構中由於4價Cr的強吸電子作用，價態略高於+4價
，並且Ru-O的鍵長變短。田子奇通過密度泛函模擬計算發現，正是由於晶格中+4價Cr的吸電子作用導致Ru的催化活性變高
，降低了反應能壘。此外，值得注意的是，該固溶體材料中貴金屬Ru的含量僅占40%，可顯著降低催化劑的成本。該工作近日以Chromium-ruthenium oxide solid solution electrocatalyst for highly efficient oxygen evolution reaction in acidic media 為題發表在《自然-通訊》（Nature Communications
，DOI: 10.1038/s41467-018-08144-3）上。林貽超與田子奇為論文共同第一作者，陳亮為論文通訊作者。

上述工作得到科技部重點研發計劃
、自(zi)然(ran)科(ke)學(xue)基(ji)金(jin)委(wei)麵(mian)上(shang)與(yu)青(qing)年(nian)項(xiang)目(mu)以(yi)及(ji)寧(ning)波(bo)市(shi)創(chuang)新(xin)團(tuan)隊(dui)等(deng)的(de)大(da)力(li)支(zhi)持(chi)，相(xiang)關(guan)同(tong)步(bu)輻(fu)射(she)實(shi)驗(yan)也(ye)得(de)到(dao)中(zhong)科(ke)院(yuan)上(shang)海(hai)應(ying)用(yong)物(wu)理(li)研(yan)究(jiu)所(suo)與(yu)上(shang)海(hai)光(guang)源(yuan)的(de)大(da)力(li)支(zhi)持(chi)。