劉碧錄團(tuán)隊(duì)在高效穩(wěn)定海水電解催化劑及電解槽方面取得新進(jìn)展

 化石燃料的過(guò)度使用造成了能源危機(jī)和環(huán)境污染等問(wèn)題。氫能熱值高、燃燒產(chǎn)物清潔，是未來(lái)可持續(xù)社會(huì)的重要能源載體。電解水制氫技術(shù)以水為原料，可通過(guò)清潔的反應(yīng)過(guò)程制取綠色氫能。然而，電解水制氫技術(shù)面臨淡水資源緊缺的問(wèn)題。利用豐沛的海水資源（占水資源的96%以上）發(fā)展電解海水制氫技術(shù)具有重要意義。在電解海水的過(guò)程中，海水中的氯離子（Cl^-）會(huì)引起副反應(yīng)和催化劑腐蝕，導(dǎo)致電催化劑選擇性低、穩(wěn)定性差，這一難題阻礙了海水電解技術(shù)的應(yīng)用。

 近日，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院劉碧錄團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種高性能、耐腐蝕海水電解催化劑。研究人員通過(guò)水熱法和電化學(xué)活化法制備了釕鉬鎳（RuMoNi）催化劑，這種催化劑由表面多孔納米棒陣列組成。高分辨透射電鏡表明該催化劑由鎳鉬合金（Ni₄Mo）導(dǎo)電基底、氧化釕/羥基氧化鎳（RuO₂/NiOOH）活性相和鉬酸鎳（NiMoO₄）抗腐蝕層構(gòu)成。

 圖1 RuMoNi電催化劑的設(shè)計(jì)原理和微觀表征

 電催化測(cè)試結(jié)果表明，在1 M KOH與海水組成的電解液中，RuMoNi電催化劑在100 mA時(shí)OER的過(guò)電位僅為245 mV，并且在1.7 Vvs. RHE時(shí)達(dá)到了1000 mA/cm²的高電流密度。RuMoNi電催化劑在堿液、堿性鹽溶液、和堿性海水電解液中均可保持優(yōu)異的活性，其在海水電解液中的OER選擇性接近100%。研究人員利用Δη/Δlog|j| (Rη/j)這一重要指標(biāo)在寬電位條件下衡量電極動(dòng)力學(xué)的一個(gè)重要指標(biāo)，通過(guò)計(jì)算這一指標(biāo)，研究人員發(fā)現(xiàn)RuMoNi具有比RuO₂更快的OER動(dòng)力學(xué)。

 圖2 大電流密度下在堿性海水中的OER性能

 海水的強(qiáng)腐蝕性對(duì)電催化劑的耐久性帶來(lái)了重大挑戰(zhàn)。研究人員測(cè)試了RuMoNi催化劑的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，該催化劑可在500 mA/cm²的電流密度下穩(wěn)定運(yùn)行3000 h。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)提出了客觀衡量催化劑穩(wěn)定性的指標(biāo)——電壓衰減率（ ），依據(jù)此定義計(jì)算RuMoNi催化劑的D_V為0.64 μV/h，達(dá)到了美國(guó)能源部設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)（1 μV/h）。在高溫和高鹽濃度電解液中，催化劑在穩(wěn)定性測(cè)試過(guò)程中亦未出現(xiàn)明顯的性能衰減現(xiàn)象。以上結(jié)果說(shuō)明RuMoNi催化劑具備優(yōu)異的耐腐蝕性及穩(wěn)定性。

 圖3 RuMoNi電催化劑在不同工況條件下的耐久性測(cè)試

 研究人員對(duì)RuMoNi電催化劑穩(wěn)定性和選擇性機(jī)理進(jìn)行了深入探究。通過(guò)接觸角的測(cè)定發(fā)現(xiàn)RuMoNi具有超親水特性，因此催化劑的氣泡黏附力低。Tafel圖顯示RuMoNi催化劑的腐蝕電位高于Ni foam，耐腐蝕性能更好。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在電流密度為500 mA/cm²時(shí)間為150 h的穩(wěn)定性測(cè)試過(guò)程中，電解液中Ru和Mo的含量無(wú)顯著變化，說(shuō)明RuMoNi催化劑在大電流密度下優(yōu)異的耐腐蝕性。不同電位下電極表面溶液的元素測(cè)試結(jié)果說(shuō)明電極表面吸附的鉬酸根（MoO₄^2-）濃度隨電位的升高而升高，吸附的MoO₄^2-通過(guò)靜電相互作用排斥Cl^-，從而抑制Cl^-對(duì)電極的腐蝕。

圖4 RuMoNi電催化劑的耐腐蝕機(jī)理

 研究人員以RuMoNi作為雙功能電極，組裝了堿性海水陰離子交換膜（AEM）電解槽。該電解槽僅需1.72 V的電壓就可實(shí)現(xiàn)1 A/cm²的電流密度制氫，且在0.5 A/cm²的電流密度下，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)240 h的穩(wěn)定的海水電解。該AEM電解槽表現(xiàn)出高活性、高H₂產(chǎn)率、高穩(wěn)定性，與已報(bào)道的AEM海水電解槽相比具有顯著優(yōu)勢(shì)。

圖5 RuMoNi堿性海水AEM電解槽性能

 相關(guān)研究成果以“高效穩(wěn)定的海水氧化及陰離子交換膜電解槽用耐腐蝕釕鉬鎳催化劑”（A corrosion-resistant RuMoNi catalyst for efficient and long-lasting seawater oxidation and anion exchange membrane electrolyzer）為題發(fā)表于《自然·通訊》（Nature Communications）上，論文通訊作者為清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院劉碧錄教授、余強(qiáng)敏專(zhuān)任副研究員，論文第一作者為清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院2020級(jí)博士生康馨，論文作者還包括中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院成會(huì)明院士，中科院金屬研究所任文才研究員、劉志博博士，斯威本科技大學(xué)孫成華教授等。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、科技部、廣東省科技廳、深圳市科技創(chuàng)新委員會(huì)等部門(mén)的支持。 

論文鏈接：http://www.nature.com/articles/s41467-023-39386-5

 文、圖：張?zhí)礻弧⒖弟?/span>

編輯：葉思佳

封面設(shè)計(jì)：王晨

審核：陳超群