基於亞納米銅簇單元促進的高效鹼性全水裂解催化劑

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能源問題是在任何時代、區域背景下均需重點考慮的關鍵問題，而在保護環境的前提下構建一個完整而持續的未來能源結構則是目前緊迫環境下需要全人類正視的巨大挑戰。氫氣作為潛在的綠色能源載體，是目前被認為能夠減輕化石燃料過度使用問題的明星能源之一，而相關的製備、存儲、運輸技術則直接決定了其在整體能源消費總量中所佔的比重。 目前，工業製備氫氣主要的方法是甲烷蒸汽重整與煤氣化過程，這兩種方法都無法避免化石燃料的消耗和二氧化碳的排放，顯然與清潔可持續發展的目標相悖。與這兩種主要的制氫方法相比，電解水制氫技術被廣泛認為是非常有前景的綠色制氫路線：其原料是水，產物是氫氣和氧氣，反應過程清潔，並且所需電能可以利用太陽能、風能等可持續能源轉化獲得。然而，由於電解水實際上是一個高能耗過程，反應過程中水還原（HER）和水氧化（OER）兩個半反應均需要大量的貴金屬催化劑來提高能量利用率，導致發展這種環境友好的制氫路線的代價始終遠高於甲烷蒸汽重整與煤氣化過程，因而至今在應用上仍舊受到極大的限制。因此，必須發展廉價的非貴金屬催化材料來同時降低兩個半反應的能壘，促進水裂解反應的發生，提高能量利用率。也就是說，發展水裂解制氫的關鍵技術之一是催化材料革新。

最近，吉林大學鄒曉新課題組與北京航空航天大學張瑜課題組合作，報道了一種新型的以泡沫銅為載體，亞納米銅簇與准無定形金屬硫化物（CoSx）複合的電極材料同時具備高效的析氫和析氧催化活性。由該雙功能材料組裝的鹼性電解池，在1.50 V電壓下即可獲得10 mA/cm2的電流密度，穩定時間超過200 h。該性能略優於貴金屬催化劑Pt/C-IrO2構成的電解池，並在更大的電流密度區間體現出更明顯的活性優勢。進一步的實驗對比與理論研究表明，除卻准無定形金屬硫化物（CoSx）本身的催化活性之外，合成過程中形成的亞納米銅簇能夠有效誘導材料表面電荷的重新分布，同時促進催化過程中水分子在材料表面的解離吸附。這篇文章首次提出亞納米銅簇單元對水裂解反應的促進作用，為進一步設計合成高效的非貴金屬水裂解提供新思路。

相關論文發表在《Advanced Materials》上，第一作者為吉林大學博士研究生劉一蒲。

該論文作者為：Yipu Liu, Qiuju Li, Rui Si, Guo-Dong Li, Wang Li, Da-Peng Liu, Dejun Wang, Lei Sun, Yu Zhang* and Xiaoxin Zou*

Coupling Sub-Nanometric Copper Clusters with Quasi-Amorphous Cobalt Sulfide Yields Efficient and Robust Electrocatalysts for Water Splitting Reaction

Advanced Materials,2017, DOI: 10.1002/adma.201606200

導師介紹

鄒曉新

http://www.x-mol.com/university/faculty/31093

張瑜

http://www.x-mol.com/university/faculty/19054

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