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中科大章根強團隊AM:超低電壓、工業(yè)級電流密度下肼輔助電催化制氫!

中科大章根強團隊AM:超低電壓、工業(yè)級電流密度下肼輔助電催化制氫!
第一作者:Yin Zhua, Yanxu Chen
通訊作者:章根強、夏靜
通訊單位中國科學技術(shù)大學、中國科學院理化技術(shù)研究所
論文速覽
肼氧化輔助水分解是解決大規(guī)模H2生產(chǎn)中高能耗的關(guān)鍵技術(shù)。釕基電催化劑具有協(xié)同析氫(HER)和肼氧化(HzOR)催化的前景,但受到反應物中間體過度表面吸附的阻礙。
在本文設計了錨定在NiFe-LDH上的Ru團簇(Ruc/NiFe-LDH),它通過構(gòu)建Ru-O-Ni/Fe橋有效地增強了Ru的中間吸附能力。
值得注意的是,它在0.43 V的空前低電壓下實現(xiàn)了1 A cm-2的工業(yè)電流密度,節(jié)省了3.94kWh m-3 H2的能源,并在5 A cm-2的高電流密度下表現(xiàn)出超過120小時的出色穩(wěn)定性。
高端表征和理論計算表明,Ru-O-Ni/Fe橋的存在拓寬了Ru團簇的d帶寬度,導致較低的d帶中心和反鍵軌道上較高的電子占據(jù)率,從而促進了Ru的適度吸附能和增強的催化活性。
圖文導讀
中科大章根強團隊AM:超低電壓、工業(yè)級電流密度下肼輔助電催化制氫!
圖1:Ruc/NiFe-LDH的合成示意圖、形態(tài)和元素特征。
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圖2:X射線衍射(XRD)圖譜、X射線光電子能譜(XPS)和X射線吸收光譜(XANES)等對Ruc/NiFe-LDH的晶體結(jié)構(gòu)和電子狀態(tài)進行了表征。
中科大章根強團隊AM:超低電壓、工業(yè)級電流密度下肼輔助電催化制氫!
圖3:Ruc/NiFe-LDH在1.0 M KOH溶液中的電催化析氫反應(HER)和肼氧化反應(HzOR)的性能。
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圖4:Ruc/NiFe-LDH作為雙功能電極的兩電極電解池在肼輔助水分解(OHzS)中的性能。
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圖5:理論計算研究
總結(jié)展望
本研究構(gòu)建了Ru-O-Ni/Fe橋接結(jié)構(gòu),顯著提高了Ru團簇的中間體吸附能力,并通過調(diào)節(jié)Ru的d帶中心,實現(xiàn)了對Ru表面吸附能的優(yōu)化。Ruc/NiFe-LDH在10 mA cm-2的電流密度時,析氫反應(HER)和肼氧化反應(HzOR)分別僅需26 mV和-75 mV的過電位。
在兩電極電解池中,在0.43 V的超低電壓下達到了1 A cm-2工業(yè)級電流密度,并在5 A cm-2下穩(wěn)定運行超過120 h,展示了其在實際肼輔助制氫的卓越應用潛力。本工作不僅為設計高性能的肼氧化電催化劑提供了新思路,也為通過調(diào)節(jié)金屬催化劑的d帶寬度來優(yōu)化其催化性能提供了理論指導。
文獻信息
標題:Constructing Ru-O-TM Bridge in NiFe-LDH Enables High Current Hydrazine-assisted H2 Production
期刊:Advanced Materials
DOI:10.1002/adma.202401694

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