2023年7月6日，《Advanced Functional Materials》在線刊發了我院王春棟教授關于工業級電流密度電解海水耐氯析氫的最新研究成果“Unlocking the Catalytic Potential of Platinum Single Atoms for Industry-Level Current Density Chlorine Tolerance Hydrogen Generation”。我院王春棟教授為唯一通訊作者，我院畢業生孫華傳博士（現雲南大學講師）和台灣長庚大學陳効謙博士為共同一作，6774澳门永利/武漢光電國家研究中心為論文第一完成單位。
圖1. 泡沫鎳負載Pt-SA/NiV-LD催化劑的電催化析氫機理示意圖
為促進我國“雙碳”目标的實現，研究和開發高效穩定且對環境友好的清潔能源替代化石能源迫在眉睫。氫氣因能量密度大、燃燒熱值高且産物無污染，被認為是最有潛力的綠色能源之一。利用間歇性能源(如風能、太陽能)獲得的電能來驅動電解純水制氫是一種高效的“綠氫”生産途徑，能有效避免傳統蒸汽重整制氫過程中甲烷釋放造成的溫室氣體排放。然而，淡水資源的有限性終将限制水電解制氫的可持續發展。相反，地球上96.5%的水資源是海水。因此，利用海水電解制氫不但可以保護淡水資源，還能推動全球能源去碳化。遺憾的是，與廣泛采用的堿性淡水電解制氫策略相比，海水成分複雜、電解過程中不溶性沉澱物的形成以及氯離子的存在導緻電催化劑的效率差、穩定性低，使得直接海水電解制氫技術進展相對緩慢。高電流密度、低能耗的堿性海水電解能有效解決這一瓶頸問題，但海水持續電解制氫會使電解液中的Cl-不斷積累，從而導緻催化劑中毒、腐蝕和降解，嚴重影響催化劑的活性和穩定性。基于此，研究和開發性能優異且能在工業級電流密度下高效電解海水制氫催化劑勢在必行。
圖2. Pt-SA/NiV-LDH催化劑及其對比樣在工業級電流密度下的堿性HER催化性能和AEM全電解水催化性能
為此，研究團隊研究通過大量實驗和理論模拟證明，将鉑（Pt）單原子固定在具有優化配位環境和電子結構的适當載體上是解決海水電解過程中氯腐蝕問題的關鍵。基于此，該研究首次采用超親水的自支撐鎳釩層狀雙氫氧化物（NiV-LDH）固定Pt 單原子以獲得高效穩定自支撐型單原子Pt-SA/NiV-LDH催化劑用于海水電解制氫。得益于催化劑微觀配位環境的改性、原子級分散的 Pt 和超薄 NiV LDH 載體之間的強協同電子相互作用，以及自支撐Pt-SA/NiV-LDH催化劑的超親水和超疏氣特性，使得電解水反應中間體如*H2O、*OH 和 *H 的吸附/解離特性得到優化，傳質過程加快，Ca、Mg等氫氧化物的沉積減緩，相應的催化性能得到大幅提升。在堿性HER過程中，Pt-SA/NiV-LDH電極在同等條件下的質量活性是商業Pt/C的30.98倍。而在1 M KOH和不同濃度NaCl的混合電解質溶液中，Pt-SA/NiV-LDH表現出優異的催化活性和穩定性，這表明其具有較好的耐氯特性。此外，Pt-SA/NiV-LDH在堿性海水電解HER過程中，分别僅需130和215 mV的過電位即可獲得1000和2000 mA cm−2 的工業級電流密度，且在500 mA cm−2下穩定催化産氫超500小時。這項工作為海水電解生産可持續綠色氫氣提供重要參考。
圖3. 理論計算及機理分析
此項工作是王春棟教授團隊在綠氫開發領域的階段性研究成果。團隊長期從事電催化相關探索，近兩年來在能源催化材料局域電子态調控及自旋催化方面取得了系統研究成果（Adv. Mater. 2024, 2400523; Adv. Funct. Mater. 2024, 2401011; Adv. Funct. Mater. 2024, 2408823; Adv. Funct. Mater. 2024, 2408872; Adv. Funct. Mater. 2023, 2303986; ACS Nano, 2024, 18, 1, 1214-1225; ACS Nano, 2023, 17, 11, 10906–10917; Chem Catalysis, 2024, 100840; Coord. Chem. Rev., 2023, 488, 215189; Sci. Bull, 2022, 67, 1763; Research, 2022, 9837109; J. Am. Chem. Soc., 2022, 144, 3, 1174-1186. (cover page)。
文章連接
Unlocking the Catalytic Potential of Platinum Single Atoms for Industry-Level Current Density Chlorine Tolerance Hydrogen Generation
https://doi.org/10.1002/adfm.202408872
