物质学院杨楠课题组开发出新型无定形非贵金属电催化剂

ON2021-04-10文章来源 物质科学与技术学院CATEGORY新闻

近日,我校物质学院杨楠课题组开发出一种新型的无定形电催化剂,该催化剂在全水解应用上具有高效性能,相关工作以“High-Performance Overall Water Splitting Based On Amorphous Iron Doped Cobalt Tungstate Via Facile Co-precipitation”为题,在国际知名期刊《材料化学杂志A》(Journal of Materials Chemistry A)上在线发表。

能源危机和环境污染问题引起了人们的广泛关注。氢能因为其能量密度高、无污染而被认为是非常理想的清洁能源。其中,电解水由于其高能量转化效率和易于大规模工业应用的特点,为制氢提供了理想的方案。水的分解包括两个半反应:在理论驱动电压1.23 V的作用下,阳极的析氧反应(OER)和阴极的析氢反应(HER)。但在实际电解过程中,由于催化剂较慢的电荷转移能力,通常会伴随着几百毫伏的过电势。迄今为止,商用铱(Ir)/钌(Ru)和铂(Pt)基贵金属催化剂已分别被认为是最先进的OER和HER电催化剂。然而这些贵金属的高成本和稀缺性严重阻碍了它们的大规模应用。因此,开发具有优异活性且价格低廉的非贵金属电催化剂成为当务之急。

上海科技大学杨楠课题组巧妙地通过简单共沉淀法合成了无定形掺铁的CoWO4催化剂(称为A-CFWO),该催化剂具有非常优异的全解水性能。与传统制备晶体催化剂的方法相比,这种无定形催化剂的合成不需要高温高压的合成条件,也不会用到可能会对人体产生伤害的有机溶剂。最新的研究表明,相比于晶体催化剂,无定形催化剂存在许多优势。首先,无定形催化剂可以帮助暴露出更多的缺陷结构,这些缺陷往往被认为是反应的活性位点。其次,无定形催化剂中可能同时存在体积和表面受限的电催化过程,从而确保更大的电解质-催化剂界面。再者,与具有相同组成的结晶催化剂相比,无定形催化剂具有更高的稳定性,这归因于其结构的柔韧性和高自愈能力。

图|A-CFWO无定形电催化剂的全水解示意图

图|A-CFWO无定形电催化剂的结构表征

杨楠课题组测试了该催化剂的产氢和产氧能力,显示出非常优异的电解水性能,优于商用二氧化铱(IrO2)|| Pt/C电池和大多数先前报道的双功能电催化剂。此外,为了进一步展示该无定形催化剂的优异性能,课题组成员还成功通过一节1.5 V的5号电池驱动了全水解。这项工作提供了一种简单经济的方法,用于制备高效的无定形掺铁的CoWO4电催化剂,该催化剂在全水分解制氢和制氧反应应用中具有出色的双功能催化活性和长期稳定性,可以用于大规模工业生产。同时,未来可以通过将无定形掺铁的CoWO4电催化剂和绿色新能源进一步结合进行全电水解反应,降低制氢成本,实现绿色产氢的国家目标,为国家碳中和的战略目标的实现服务。

图|A-CFWO无定形电催化剂的OER和HER性能分析

图|1.5 V的电池驱动A-CFWO无定形催化剂全水解

杨楠课题组2019级硕士研究生吴进为该论文的第一作者,杨楠教授为通讯作者,上科大为唯一完成单位。上科大物质学院分析测试平台和电镜中心给予了大力支持。

论文链接:https://doi.org/10.1039/D1TA00001B