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我校在納米複合催化劑酸性析氧研究方面取得進展

2021年05月31日 新聞網 瀏覽次數:723

哈工大全媒體(宋波/文)近日,航天學院復材所與合作單位在納米複合催化劑電催化析氧反應(OER)研究方面取得進展,相關的研究論文《利用CeO2改變Co3O4的氧化還原特性以及局域成鍵狀態增強酸性析氧催化》發表於《自然·通訊》(Nature Communications)上。

電催化將水裂解制取氫氣和氧氣在能源以及航天領域有重要應用。電解水制氫是新能源快速發展背景下,完善清潔能源消納長效機制以及實現電網和氣網互通的重要手段,而電解水製氧更是目前公認最合理的空間站氧氣補給技術。服役於酸性環境的質子交換膜(PEM)電解槽是高效的電解水裝置,具有服役電流大以及製取氣體純淨等優點,但是酸性OER催化劑的設計是制約其規模化應用的主要因素之一。現有催化劑主要是Ir和Ru等貴金屬化合物,儲量低且價格高昂。因此開發廉價高效的催化劑是解決當前技術瓶頸的重要手段。

研究人員通過設計納米複合材料的策略,利用CeO2Co3O4進行改性。尺寸為~ 5 nm的CeO2與~ 9.7 nm的Co3O4形成緊密結合的界面,從而擴大兩相界面處的電子調控作用,使其局域結構以及氧化還原特性發生改變。利用動力學同位素效應(KIE)、pH相關性和温度相關性分析對Co3O4/CeO2納米複合催化劑進行了精細的電化學表徵,並結合原位Raman和非原位X射線近邊吸收譜(XAS)的結構表徵,清楚地揭示了催化劑的局域結構特徵及其在OER過程中的動態演化過程變化。研究發現:納米CeO2的引入為Co3O4創造了更有利的局域成鍵環境,使得Co3O4表面的CoIII物種容易被氧化為OER活性CoIV物種,並抑制了該過程中的電荷積累。該過程顯著提高了酸性OER催化活性,過電位減低了84 mV,使得Co3O4/CeO2成為目前最好的非貴金屬酸性OER催化劑之一。同時,穩定性分析揭示了Co3O4/CeO2複合結構在具有優異催化活性的同時能保持較好穩定性,打破了對酸性OER中催化活性與穩定性折衷關係的認知。該項研究不僅利用儲量豐富的過渡金屬設計出了高效的酸性OER催化劑,也為其它反應的催化劑設計提供的新的策略。

本研究得到了學校“青年科學家工作室”和“世界頂尖大學戰略合作計劃”的支持。

文章鏈接: //doi.org/10.1038/s41467-021-23390-8



編輯:商豔凱