中國科大提出晶相混合策略設計在酸性環境中極端穩定的高性能電催化劑

發稿時間:2019-11-28瀏覽次數:10

氫能源是當前最具應用前景的高效清潔新能源技術。相比傳統的甲烷水蒸氣重整制氫工藝和堿性電解水工藝,質子交換膜水電解裝置具有啟動速度快、氫氣純度高、產氫速率快、電流密度大和能量效率高等顯著優勢,有望成為下一代先進清潔制氫方法。然而,在酸性介質中非鉑基催化劑一般很不穩定,活性金屬成分容易在電解池操作過程流失。當前酸性電解水膜電極依賴鉑基催化劑(Pt, IrRu等),導致制氫成分過高,極大的限制了質子交換膜水電解池的應用推廣。

近日,中國科學技術大學俞書宏院士團隊和高敏銳教授課題組提出一種“晶相混合”策略,成功設計并研制了一種在酸性電解液中展現高度穩定性的非貴金屬電催化劑。研究人員將立方相的二硒化鈷(CoSe2)進行“嚴苛”的堿熱處理(5 M KOH200 oC),促使立方相CoSe2部分結構轉變為正交相CoSe2,成功制備一種新穎的混合相CoSe2結構,在酸性介質中展現出優異的水還原電化學活性和穩定性能。相關研究成果以“Polymorphic cobalt diselenide as extremely stable electrocatalyst in acidic media via a phase-mixing strategy”為題,于1125日發表在《自然·通訊》上(Nature Communications 2019, 10, 5338)。論文的共同第一作者是中國科大博士生張曉隆、胡少進和博士后鄭亞榮。 

研究人員通過堿熱法處理立方相CoSe2, 使得部分CoSe原子從完美的立方相CoSe2晶體中逸出,生成原子級別的缺陷。而這些缺陷的生成使得位于立方相結構中的Se-Se鍵在其局域部位發生旋轉而轉化為正交相結構,最終得到立方相和正交相混合均勻分布的CoSe2(圖1)。

1. 混合相CoSe2催化劑的制備和結構示意圖

電化學測試顯示,混合相CoSe2催化劑5萬次循環之后,極化曲線沒有明顯變化,同時催化劑在400多個小時工作后,其在10 mA cm-2的過電勢沒有明顯增加。“晶相混合”制備的催化劑在酸性電解質中絕佳的穩定性遠優于立方相和正交相CoSe2催化劑(2)。

2.混合相、立方相和正交相催化劑在酸性介質中水還原催化活性和穩定性能對比

研究發現,這種新型的立方相-正交相互糅合的CoSe2催化劑極大的提高了CoSe原子之間的共價性,賦予晶格更強勁的鍵合能,從而使得這種廉價材料在酸性介質中不僅展現出很高的水還原活性,同時表現優異的穩定性能(圖3)。

  

3.混合相CoSe2催化劑優異電化學穩定性能機制理解

該項研究為今后提供了一種通過材料晶相調控設計具備在酸性介質中高度穩定的催化劑策略,為發展在酸性介質中能實際運行的低成本、高活性和高穩定性的催化材料提供了嶄新的思路。

相關研究受到國家自然科學基金委創新研究群體、國家自然科學基金重點項目、中國科學院前沿科學重點研究項目、中國科學院納米科學卓越創新中心、蘇州納米科技協同創新中心等的資助。

論文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-019-12992-y


(合肥微尺度物質科學國家研究中心、化學與材料科學學院、科研部)


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