近日，華東師大化學(xué)與分子工程學(xué)院上海市綠色化學(xué)與化工過(guò)程綠色化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室特聘教授施劍林院士與青年教師陳立松博士在有機(jī)物輔助電催化析氫領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。研究成果以“Nickel-molybdenum nitride nanoplate electrocatalysts for concurrent electrolytic hydrogen and formate productions”為題發(fā)表在《自然•通訊》(Nature Communications)上(Nat. Commun, 2019, 10, 5335)。

 

　　氫氣因具有能量密度高、清潔高效等諸多優(yōu)點(diǎn)而被譽(yù)為未來(lái)最有前景的能源載體。電解水制氫技術(shù)可以將難以并網(wǎng)利用的電能轉(zhuǎn)化為氫氣，具有能量轉(zhuǎn)化效率高、產(chǎn)氫速率快、氫氣純度高等優(yōu)勢(shì)，是目前制備高純氫氣的最理想方案之一。 然而，電催化制氫面臨著陽(yáng)極析氧反應(yīng)(OER)動(dòng)力學(xué)緩慢，產(chǎn)生的氧氣附加值較低等問(wèn)題，且存在與陰極產(chǎn)生的氫氣混合而發(fā)生爆炸的危險(xiǎn)。

 

　　針對(duì)上述問(wèn)題，施劍林院士與青年教師陳立松博士團(tuán)隊(duì)提出在電解液中加入廉價(jià)有機(jī)物，以有機(jī)物的氧化反應(yīng)取代OER過(guò)程。有機(jī)物輔助電催化析氫，不僅解決了電解過(guò)程中陽(yáng)極過(guò)電位大的問(wèn)題，還能得到高附加值產(chǎn)品。課題組經(jīng)過(guò)深入探索，研制了一種新型電催化劑—Ni-Mo-N/CFC納米片，該材料可以同時(shí)作為甘油輔助電催化析氫電解池的陰極和陽(yáng)極催化劑，高效率實(shí)現(xiàn)了電催化生產(chǎn)高純氫氣和高附加值的甲酸鹽。

 

　　在前期電催化析氫的研究過(guò)程中，該團(tuán)隊(duì)提出了“降低OER過(guò)電位”(開(kāi)發(fā)高效催化劑，降低OER過(guò)電位；ACS Catal., 2018, 8, 3688-3707；J. Mater. Chem. A 2017, 5, 22568-22575)，“取代OER過(guò)程”(以甲醇等易被氧化物質(zhì)的氧化過(guò)程取代OER過(guò)程；ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10 39002-39008；ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10, 25422-25428)的策略。在此基礎(chǔ)上，課題組提出了“利用OER過(guò)電位”的思路，建立了將附加值較低的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為附加值較高產(chǎn)品的“有機(jī)物輔助析氫法”(J. Mater. Chem. A 2018, 5, 13538-13548)。在最新研究工作中，基于過(guò)渡金屬基氮化物具有較低電阻和較高機(jī)械穩(wěn)定性的優(yōu)點(diǎn)，課題組通過(guò)水熱法在碳纖維布上生長(zhǎng)了鎳鉬化合物NiMo-Pre/CFC，而后通過(guò)高溫氮化得到鎳鉬氮化物(Ni-Mo-N/CFC)。電化學(xué)實(shí)驗(yàn)表明，以甘油為輔助物，Ni-Mo-N/CFC催化劑在陽(yáng)極可將甘油氧化生成高附加值的甲酸鹽，同時(shí)提供電子促進(jìn)水分解生產(chǎn)氫氣。當(dāng)Ni-Mo-N/CFC同時(shí)作為電解池的陰極和陽(yáng)極催化劑時(shí)，達(dá)到10mA cm-2電流密度僅需要1.36 V電壓，比純水分解所需電壓低0.260 V。在該體系中，氫氣和甲酸鹽生產(chǎn)的法拉第效率可高達(dá)99.7%和95.0%。有機(jī)物輔助電催化析氫策略顯著降低了電催化制氫的能耗，得到了高附加值陽(yáng)極產(chǎn)物，避免了氫氧混合可能發(fā)生的爆炸危險(xiǎn)。基于上述優(yōu)勢(shì)，課題組的研究策略對(duì)于可再生能源發(fā)展提供了新思路，有望進(jìn)一步發(fā)展成為一種高效節(jié)能，具有潛在應(yīng)用前景的新技術(shù)。

 

　　華東師大博士研究生李妍、魏新發(fā)為論文共同第一作者，施劍林院士與陳立松博士為論文共同通訊作者，何鳴元院士為研究工作開(kāi)展提供了重要指導(dǎo)。華東師范大學(xué)為論文第一作者單位。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、上海市揚(yáng)帆計(jì)劃、國(guó)家博士后科研基金以及高性能陶瓷與超微結(jié)構(gòu)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放項(xiàng)目的資助。

 

　　論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-019-13375-z