过程工程所等发现高性能电催化析氢材料的微环

作者:万搏体育 | 2021-03-08 16:55

  作为国家在科学技术方面的最高学术机构和全国自然科学与高新技术的综合研究与发展中心,建院以来,中国科学院时刻牢记使命,与科学共进,与祖国同行,以国家富强、人民幸福为己任,人才辈出,硕果累累,为我国科技进步、经济社会发展和国家安全做出了不可替代的重要贡献。更多简介 +

  中国科学技术大学(简称“中科大”)于1958年由中国科学院创建于北京,1970年学校迁至安徽省合肥市。中科大坚持“全院办校、所系结合”的办学方针,是一所以前沿科学和高新技术为主、兼有特色管理与人文学科的研究型大学。

  中国科学院大学(简称“国科大”)始建于1978年,其前身为中国科学院研究生院,2012年更名为中国科学院大学。国科大实行“科教融合”的办学体制,与中国科学院直属研究机构在管理体制、师资队伍、培养体系、科研工作等方面共有、共治、共享、共赢,是一所以研究生教育为主的独具特色的研究型大学。

  上海科技大学(简称“上科大”),由上海市人民政府与中国科学院共同举办、共同建设,2013年经教育部正式批准。上科大秉持“服务国家发展战略,培养创新创业人才”的办学方针,实现科技与教育、科教与产业、科教与创业的融合,是一所小规模、高水平、国际化的研究型、创新型大学。

  中国科学院紫金山天文台(中国科大天文与空间科学学院)2021年招收攻读博士学位研究生报名公告

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  2020年南昌大学-中国科学院稀土研究院“稀土专项”联合培养博士研究生“申请-考核”制招生公告

  早在上世纪80年代,美国科学家就提出当电催化剂(或电活性物质)被固定于电极上或者三维导电结构材料中,构成一种微环境,其表现出的电化学性质与体相状态(即分散于溶液中)相比,会表现出巨大的差别,即为“微环境效应”。然而,至今人们还没有发现对这一效应有力的实验证据。

  近期,中国科学院过程工程研究所绿色化学工程研究部研究员张光晋研究组发现了一种多酸-石墨烯纳米复合材料具有明显的“微环境效应”,体现出优异的电催化析氢性能。他们选择了含有48个W原子的大环杂多酸(K28Li5[H7P8W48O184] • 92H2O,简称P8W48)为考察对象,这主要是考虑到这种多酸具有很好的多电子与质子的储存能力,且在酸性条件下非常稳定,易大规模制备等优点。同时,基于石墨烯良好的电子传输能力,可以通过多酸作为还原剂在水溶液中由氧化石墨烯还原得到还原氧化石墨烯(rGO)。他们设计、发展了一步原位电化学还原法,制备了P8W48/rGO复合材料,通过这一方法P8W48以单分子形态均匀分散并被固定在rGO的表面,形成一种三维拓扑结构的复合材料。结合XPS、固体核磁分析以及理论计算发现,P8W48与rGO之间具有很强的相互作用,从而使电子与质子可以高效地在催化剂与载体间交换。由于这种复合催化剂具有高效率的电子与质子储存与传递性能,通过把此复合材料固定在玻碳电极上,循环伏安曲线在电极上有相当显著的“微环境效应”,材料体现出非常强的质子化能力。因此,该材料显示出极高的电催化析氢性能:在析氢电流密度达到10 mA cm-2的情况下只需要28 mV的过电位,此值优于目前报道的所有非贵金属催化剂,并且与商业化的20 wt. % Pt/C催化剂相当;电催化析氢法拉第效率达到100%。该研究工作的合作者德国不莱梅大学教授

  Ulrich Kortz进行了P8W48多酸的合成工作、美国佛罗里达州立大学教授Naresh S. Dalal对复合材料进行了固态核磁表征,东北师范大学教授颜力楷对复合材料进行了理论模拟计算。该研究得到国家自然科学基金(21371173

  在P8W48/rGO/GC电极表面(“微环境效应”)以及体相溶液中的循环伏安曲线对比:(a)负电位极限为P8W48的8电子还原区域,(b)负电位极限为P8W48的16电子还原区域;(c)P8W48/rGO与其它催化剂的电催化析氢极化曲线对比;(d)P8W48/rGO电催化析氢稳定性测试。早在上世纪80年代,美国科学家就提出当电催化剂(或电活性物质)被固定于电极上或者三维导电结构材料中,构成一种微环境,其表现出的电化学性质与体相状态(即分散于溶液中)相比,会表现出巨大的差别,即为“微环境效应”。然而,至今人们还没有发现对这一效应有力的实验证据。

  近期,中国科学院过程工程研究所绿色化学工程研究部研究员张光晋研究组发现了一种多酸-石墨烯纳米复合材料具有明显的“微环境效应”,体现出优异的电催化析氢性能。他们选择了含有48个W原子的大环杂多酸(K28Li5[H7P8W48O184] • 92H2O,简称P8W48)为考察对象,这主要是考虑到这种多酸具有很好的多电子与质子的储存能力,且在酸性条件下非常稳定,易大规模制备等优点。同时,基于石墨烯良好的电子传输能力,可以通过多酸作为还原剂在水溶液中由氧化石墨烯还原得到还原氧化石墨烯(rGO)。他们设计、发展了一步原位电化学还原法,制备了P8W48/rGO复合材料,通过这一方法P8W48以单分子形态均匀分散并被固定在rGO的表面,形成一种三维拓扑结构的复合材料。结合XPS、固体核磁分析以及理论计算发现,P8W48与rGO之间具有很强的相互作用,从而使电子与质子可以高效地在催化剂与载体间交换。由于这种复合催化剂具有高效率的电子与质子储存与传递性能,通过把此复合材料固定在玻碳电极上,循环伏安曲线在电极上有相当显著的“微环境效应”,材料体现出非常强的质子化能力。因此,该材料显示出极高的电催化析氢性能:在析氢电流密度达到10 mA cm-2的情况下只需要28 mV的过电位,此值优于目前报道的所有非贵金属催化剂,并且与商业化的20 wt. % Pt/C催化剂相当;电催化析氢法拉第效率达到100%。

  该研究工作的合作者德国不莱梅大学教授Ulrich Kortz进行了P8W48多酸的合成工作、美国佛罗里达州立大学教授Naresh S. Dalal对复合材料进行了固态核磁表征,东北师范大学教授颜力楷对复合材料进行了理论模拟计算。

  该研究得到国家自然科学基金(21371173,51402298,91545125)、博士后科学基金(2014M550846)以及中国科学院“国际人才计划”(2015VMA041)的资助。相关研究结果发表在国际能源环境期刊《能源与环境科学》上(Energy Environ. Sci., 2016, DOI: 10.1039/C5EE03503A)。

  P8W48在P8W48/rGO/GC电极表面(“微环境效应”)以及体相溶液中的循环伏安曲线对比:(a)负电位极限为P8W48的8电子还原区域,(b)负电位极限为P8W48的16电子还原区域;(c)P8W48/rGO与其它催化剂的电催化析氢极化曲线/rGO电催化析氢稳定性测试。


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