新型鎳基催化劑誕生可通過(guò)電解水高效生產(chǎn)氫燃料

最近，POSTECH的一組研究人員提出了一種利用廉價(jià)且容易獲得的鎳作為電催化劑，通過(guò)電解水高效生產(chǎn)氫燃料的方法，開(kāi)啟了氫經(jīng)濟(jì)時(shí)代。

POSTECH研究領(lǐng)導(dǎo)的研究小組由Jong Kyu Kim教授領(lǐng)導(dǎo)，Jaerim Kim、Jeong Woo Han、Hyeonjung Jung等人重點(diǎn)參與支持了這一研究。

他們共同開(kāi)發(fā)出一種高效的鎳基催化劑體系，其中摻雜了oxophilic過(guò)渡金屬原子。研究人員表示，已經(jīng)確定了催化吸附性能之間的相關(guān)性和氫進(jìn)化(她)的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)堿性介質(zhì)。近期，這些研究結(jié)果被頂級(jí)期刊《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》(Journal of the American Chemical Society， JACS)的封面文章所收錄。

燃料電池是一種環(huán)保發(fā)電設(shè)備，通過(guò)氧氣和氫氣產(chǎn)生水的化學(xué)反應(yīng)發(fā)電。在這個(gè)過(guò)程中，水電解還原發(fā)生作為一個(gè)反反應(yīng)，它離解水產(chǎn)生氫燃料。這被認(rèn)為是最環(huán)保、最可持續(xù)的大批量生產(chǎn)高純度氫燃料的方法。

然而，它的缺點(diǎn)是成本高，效率低，因?yàn)樗枰褂觅F金屬作為電極。為了降低電解水制氫燃料的單位成本，開(kāi)發(fā)活性高、穩(wěn)定性好、價(jià)格低廉、能最大化制氫性能的電化學(xué)催化劑是至關(guān)重要的。

為此，聯(lián)合研究小組設(shè)計(jì)了一種高效催化劑，將富含地球的鎳與一系列親氧過(guò)渡金屬元素結(jié)合，優(yōu)化了在堿性HER中的吸附能力。研究小組進(jìn)一步證明，嗜氧摻雜劑的摻入可以有效地控制鎳基催化劑表面的吸附性能。

為了進(jìn)一步提高鎳基催化劑的HER活性，研究人員引入了一種獨(dú)特的三維(3D)納米螺旋(NH)陣列，這種陣列可以通過(guò)斜角共沉積法輕松制備，具有豐富的表面活性位點(diǎn)、有效的電荷轉(zhuǎn)移通道和開(kāi)放的質(zhì)量傳輸通道。他們成功地制備了高活性和穩(wěn)定的cr摻雜鎳NHs催化劑，與傳統(tǒng)的鎳基薄膜催化劑相比，該催化劑在降低過(guò)電壓的情況下具有優(yōu)異的產(chǎn)氫效率。

“這項(xiàng)研究意義重大，因?yàn)樗鼮榭沙掷m(xù)的氫能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的高性能和商業(yè)化提供了學(xué)術(shù)基礎(chǔ)，”該論文的通訊作者Jong Kyu Kim教授解釋說(shuō)。“高效雙金屬電催化劑的設(shè)計(jì)策略和實(shí)驗(yàn)方法的核心概念不僅可以應(yīng)用于水的電解槽，還可以應(yīng)用于燃料電池、二氧化碳減排和光電化學(xué)系統(tǒng)。預(yù)計(jì)確保這一原始技術(shù)將在環(huán)境能源領(lǐng)域產(chǎn)生顯著的連鎖反應(yīng)和技術(shù)擴(kuò)展。”

論文的共同通訊作者Jeong Woo Han教授補(bǔ)充說(shuō)：“計(jì)算化學(xué)通過(guò)快速找到雙金屬來(lái)控制催化劑的吸附強(qiáng)度，從而使雙金屬電催化劑的制造只使用非貴重材料，從而極大地加速了水電解反應(yīng)。”

該研究是在韓國(guó)國(guó)家研究基金會(huì)氫能創(chuàng)新技術(shù)發(fā)展計(jì)劃、中職研究員計(jì)劃( Mid-career Researcher Program)、創(chuàng)意材料發(fā)現(xiàn)計(jì)劃(Creative Materials Discovery Program )的支持下進(jìn)行的。

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