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          學術聚焦
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          化工學院泰山學者團隊候利強、劉尚果等在電解水領域取得新進展

          作者:候利強 審核:劉福勝 張巖 來源:化工學院 編輯:秦洪慶   點擊: 日期:2022-04-25

          氫氣是一種無碳的清潔能源,被廣泛的認為是一種有希望代替化石燃料的新型能源。利用可再生能源(如太陽能,風能等),通過電解水的方式轉化為持續穩定的化學能氫氣,是未來氫能發展的重要戰略方向。近日,化工學院泰山學者團隊在電催化析氫催化劑的制備及其應用方面取得新進展。該團隊采用一種雙金屬有機框架限域磷鉬酸的策略,制備出了P摻雜多孔碳負載P和Mo雙摻雜Ru超小納米團簇的高效析氫催化劑(P, Mo-Ru@PC)。

          該工作以“P and Mo dual doped Ru ultrasmall nanoclusters embedded in P-doped porous carbon toward efficient hydrogen evolution reaction”為題發表于期刊《Advanced Energy Materials》(Adv. Energy Mater. 2022, 2200029. IF=29.368,中科院一區TOP期刊)上。

          作者首先采用透射電鏡(TEM)以及高角度環形暗場掃描透射電鏡(HAADF-STEM)表征手段,揭示了P, Mo-Ru@PC為粒徑超小的納米團簇。HAADF-STEM圖表明,P, Mo-Ru@PC的原子排列順序為ABABAB…的六方密堆相(hcp)結構,且圖中清晰晶格條紋對應于Ru的(101)和(100)晶面。此外,由于P和Mo的摻雜,使P, Mo-Ru@PC的晶格間距大于純相hcp Ru。單個納米顆粒的EDX線掃描和mapping圖表明了Mo和P成功摻雜到了Ru的晶體結構中。

          隨后采用X射線光電子能譜(XPS)、X射線吸收近邊結構(XNAES)和擴展X射線吸收精細結構(EXAFS)表征手段,揭示了P, Mo-Ru@PC中Ru與Mo和P之間會發生電子轉移,這使得HO-H的裂解過程更容易進行,從而使催化劑P, Mo-Ru@PC表現出優異的HER活性。

          在堿性電解質中,P, Mo-Ru@PC僅需過電位為21 mV,其電流密度就可達到10 mA cm-2。另外,該催化劑中Ru的含量僅為1.8 wt%,在堿性介質中都表現出極高的質量活性。當過電位為25 mV時,其質量活性高達1525 mA mgRu-1,是商業20 wt% Pt/C質量活性(70 mA mgPt-1)的21.8倍。

          理論計算表明,P和Mo原子的引入促進了電荷再分配,大大降低了H-OH鍵斷裂的能壘,加速了水的離解,從而使該催化劑在堿性介質中的析氫活性大大增強。

          該工作以青島科技大學為第一單位,得到了山東省泰山學者人才工程等資助。博士生李創、Haeseong Jang、劉尚果博士為論文共同第一作者,劉希恩教授、候利強特聘副教授、Prof. Cho為論文的共同通訊作者。

          文章鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.202200029

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