中国海洋大学在单原子催化电解海水制氢领域取得新突破

作者:张灿辉来源:材料科学与工程学院观海听涛发布时间:2022-08-05点击数:18

本站讯 近日,中国海洋大学材料科学与工程学院黄明华教授课题组在材料领域国际顶级期刊Advanced Materials上发表了题为“Asymmetric Co-N3P1 Trifunctional Catalyst with Tailored Electronic Structures Enabling Boosted Activities and Corrosion Resistance in Uninterrupted Seawater Splitting System” (高活性与耐腐蚀性的非对称Co-N3P1三功能电催化剂助力电解海水制氢)的研究论文。

(a)催化剂的AC-HAADF-STEM图像,(b)海水可充电锌空气电池装置驱动LED图,(c)自驱动电解海水装置图,(d)催化剂的设计理念图。

发展氢能经济为加速推动能源绿色转型,实现“碳达峰、碳中和”双碳目标的重大战略提供了重要保障。可再生能源电解水制氢是目前最具潜力的低碳绿色制氢路线之一。对于远离大陆的海岛/孤岛地区,淡水资源和能源供应十分困难,而海水资源丰富,且海域风力、太阳能等资源丰沛,因此探索光伏/风电-储能装置-电解海水制氢-燃料电池的储能供电新方式,在实现规模化可再生能源电解水制氢及解决军民用电难题方面具有得天独厚的优势。但海水中化学环境较为复杂,含有大量的Cl-离子,会带来额外的巨大挑战,如催化剂失活、阳极氯氧化副反应与腐蚀等。

针对以上难题,课题组通过双溶剂浸渍法耦合高温煅烧策略设计合成出空心碳球负载单原子金属钴催化剂,具有原子级不对称的Co-N3P1位点,其特定的电子结构赋予了催化剂弱的Cl-吸附能力,使其展现出优异的催化活性、选择性及耐Cl-腐蚀性。由该催化剂组装的海水可充电锌空气电池展现出较高的开路电压、优异的功率密度,杰出的倍率性能及高达750h的循环稳定性;并且将其作为阴极与阳极组装到全解海水制氢装置中,可以实现高达1000h的超长时间稳定性。同时,基于该催化剂所组装的海水可充电锌空气电池自驱动全解海水装置可实现高达497µmolh−1的产氢率。此外,利用海岛地区丰富的太阳能,就近耦合能源储存装置(锌空气电池)搭建了日夜不间断电解海水制氢系统进行持续且清洁的能源氢能制备。这项工作首次通过调控电子结构实现了具有高活性及耐Cl-腐蚀性催化剂的设计,为可控的开发应用于海水中高效稳定耐腐蚀的先进催化剂提供了一定的指导意义。

黄明华教授课题组长期从事清洁氢能开发与利用关键材料设计方面的研究,近年来在用于电解(海)水制氢和燃料电池、锌空气电池的原子级分散催化材料方面取得了系列研究成果。本次发表的研究成果是该课题组在高效稳定的原子级催化电解海水制氢材料研究方面取得的又一重要进展。

该项工作由中国海洋大学、中国科学院青岛生物能源与过程研究所、南方科技大学等单位合作完成。研究工作得到了山东省自然科学基金、国家自然科学基金、深圳市自然科学基金等项目的资助,2018级海洋材料科学与工程专业博士生汪兴坤为本文第一作者,中国海洋大学为第一完成单位。

通讯员:张灿辉

编辑:刘莅

责任编辑:李华昌

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