Ultralow Ru loading transition metal phosphide s as high-efficient bifunctional electrocatalyst for a solar-to-hydrogen generation system
材料復合新技術國家重點實驗室 2020-06-10
近日，我校材料復合新技術國家重點實驗室木士春教授課題組聯合廣東佛山仙湖實驗室在磷化物電解水制氫領域又取得重要進展，研究成果已在國際能源材料頂級刊物《先進能源材料》（Advanced Energy Materials）上在線發表，目前已持續成為水分解等研究領域的熱點論文。
氫能作為一種新型綠色能源受到了研究者的廣泛關注。在現有的制氫技術中，電解水制氫因具有綠色、氫純度高和可持續等特點被認為是一種非常有吸引力的制氫方法。而開發高效的析氫反應（OER）和析氫反應（HER）雙功能電催化劑是電解水制氫技術的關鍵。過渡金屬磷化物（TMPs）作為一類間隙化合物，具有高的導電性、電催化活性及電化學穩定性，被認為是未來非Pt催化劑的理想材料之一。近五年來，木士春教授課題組在磷化物電解水制氫催化劑的設計、構筑及電催化性能方面開展了大量的研究工作，已在Angew Chem Int Ed、Energy Environ Sci、Adv Energy Mater、Adv Funct Mater、Nano Energy、J Catal等國際權威期刊上發表20余篇相關高質量論文。此外，在實際應用中，電解水制氫一直受到電能的限制。考慮到太陽能的豐富性，建立以磷化物為催化劑的太陽能制氫系統是未來電解水制氫技術發展的重要方向之一。
在此基礎上，最近，他們在泡沫鎳上原位生長出類普魯士藍（PBA），經載Ru和高溫磷化處理后獲得具有超低Ru含量的Ru-MnFeP/NF催化劑。在堿性條件下，制備得到的Ru-MnFeP/NF展現出了較低的HER（35 mV @ 10mA cm-2）和OER（191mV @ 20mA cm-2）過電位。這是因為Ru的引入增加了催化材料的導電性及組分間的協同作用，從而改善含氫和含氧中間體的吸附過程。因此, 當將其作為雙功能催化劑組裝成電解槽時，僅需1.47 V的超低電壓就可以達到10 mA cm-2的電流密度。這是迄今報道的最低水分解電壓值之一。更重要的是，他們利用該全水解裝置成功構建和演示了太陽能制氫系統，使Ru-MnFeP/NF催化劑的規模化應用成為了可能。此外，該催化劑還具有優異的穩定性和近乎100%的法拉第效率。值得注意的是，Ru作為Pt族的一員，具有類Pt的析氫活性和高于Pt的析氧活性，而且價格僅為Pt的4%，非常具有商業吸引力。毫無疑問，這項研究成果將有助于開發環境友好的氫能和低成本、高效的電化學能量轉換裝置。
論文第一作者為碩士研究生陳釘，通訊作者為木士春教授。武漢理工大學納微結構研究中心吳勁松教授和胡執一副研究員等研究人員協助完成了催化劑的球差電鏡表征工作。該項研究獲得了國家自然科學基金（No.51672204）及國家重點研發計劃（No. 2016YFA0202603）等項目的支持。 
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/aenm.202000814