【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，集成電路學(xué)院王春棟團(tuán)隊在Advanced Functional Materials 期刊發(fā)表題為“Chloride-Tolerant Iridium Single-Atom Modulated Nickel Hydroxide for Industrial-Current-Density Seawater Electrolysis”的研究論文。王春棟教授為通訊作者，伊朗籍博士后SolmazFeizpoor為論文第一作者。
由于海水資源豐富，海水電解被認(rèn)為是一種很有前景的可持續(xù)制氫途徑。然而，高濃度的氯離子帶來了諸多挑戰(zhàn)，包括催化劑腐蝕、競爭性副反應(yīng)以及選擇性降低——尤其是在工業(yè)電流密度下。傳統(tǒng)策略通常側(cè)重于抑制氯離子的影響，但這些方法往往會降低催化活性，或無法在苛刻的操作條件下維持長期穩(wěn)定性。此外，氯離子與催化劑表面之間復(fù)雜的相互作用會進(jìn)一步干擾關(guān)鍵反應(yīng)中間體的吸附和轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致反應(yīng)動力學(xué)緩慢和性能下降。因此，開發(fā)能夠在堿性海水條件下高效運行，同時保持高活性、高選擇性和高耐久性的催化劑仍然是一項重要的科學(xué)挑戰(zhàn)。這項工作代表了單原子電催化和海水電解領(lǐng)域的一項重大進(jìn)展，為合理設(shè)計能夠在復(fù)雜電解質(zhì)環(huán)境中運行的催化劑提供了新的思路。
本研究開發(fā)了一種基于銥單原子修飾的Ni(OH)?的耐氯電催化劑，該催化劑能夠在工業(yè)電流密度下高效電解海水。其原子模型是通過將孤立的銥原子取代Ni(OH)?晶格而構(gòu)建的，從而形成均勻分散的單原子活性位點。先進(jìn)的顯微和光譜表征證實了銥物種的成功引入以及明確的局部配位環(huán)境的形成。在堿性和海水條件下，該催化劑在析氫反應(yīng)(HER)和析氧反應(yīng)(OER)中均表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，在1 A cm?²的工業(yè)電流密度下穩(wěn)定運行超過500小時。這表明該催化劑在含氯環(huán)境中具有優(yōu)異的催化活性和耐久性。性能的提升源于銥單原子和電解液中氯離子的共同作用。原位拉曼光譜表明，Ir的引入促進(jìn)了催化劑表面的動態(tài)活化，從而在析氧反應(yīng)(OER)條件下生成具有催化活性的NiOOH物種。同時，在堿性海水條件下，Cl?的存在進(jìn)一步促進(jìn)了活性物種的生成，并促進(jìn)了Ni位點的氧化，表明氯離子積極參與界面調(diào)控，而非僅僅作為有害物種發(fā)揮作用。
密度泛函理論(DFT)計算進(jìn)一步闡明了氯離子在堿性海水條件下對電子結(jié)構(gòu)和反應(yīng)能量的調(diào)控作用。Cl?的存在增加了費米能級附近的電子態(tài)，并調(diào)節(jié)了Ni和Ir的d帶中心，從而優(yōu)化了電荷分布。計算得到的自由能曲線表明，Cl?促進(jìn)了關(guān)鍵中間體的吸附和轉(zhuǎn)化，并降低了關(guān)鍵反應(yīng)步驟的能壘，最終加速了析氫反應(yīng)(HER)和析氧反應(yīng)(OER)的動力學(xué)過程。
圖為部分實驗結(jié)果
此項工作是王春棟教授團(tuán)隊在電催化方向的階段性研究成果。團(tuán)隊長期從事電催化相關(guān)探索，近兩年來在能源催化材料局域電子調(diào)控及反應(yīng)動力學(xué)機(jī)制研究方面取得了系統(tǒng)研究成果。
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