乐鱼,中国科大研制白铁矿型电解水制氢电催化剂
近日，遭到在天然界酸性情况中可以或许不变具有的白铁矿石的开导，中国科学手艺年夜学高灵敏传授课题组研制了一种用在质子互换膜（PEM）电解池阴极析氢反映的白铁矿型催化剂，其可在1 A cm-2的电流密度和60 °C前提下不变运转410 h以上。相干功效以“Efficient acidic hydrogen evolution in proton exchange membrane electrolyzers over a sulfur-doped marcasite-type electrocatalyst”为题颁发在在国际闻名学术期刊《科学·进展》（ScienceAdvances2023,9, eadh2885）上。
由可再生电力驱动电解水制备绿氢为实现双碳方针供给了一条极具成长前景的路子。自1789年以来，碱液电解水制氢作为一种成熟的工业制氢手艺已获得了很年夜的前进，但其低电流密度（高欧姆阻抗）、低能效和低操作压限制了其利用场景。比拟之下，依靠在质子传输的PEM电解水制氢手艺能够有用降服碱性情况中的问题。但是，PEM电解池的强酸性的工作情况（pH≈2）需要利用贵金属催化剂才来包管其长服役机能。设想高活性和高不变性的非贵金属催化剂将有用下降PEM电解池运转本钱。
鉴在此，研究人员操纵硫搀杂引诱相布局改变策略，成功的将黄铁矿型二硒化钴 (CoSe2) 转化为耐酸的白铁矿型CoSe2。其在酸性前提下揭示出优良的析氢机能：10 mA cm-2的电流密度仅需67 mV过电压，并不变运转1000 小时。进一步，将该催化剂用作PEM电解池的阴极，其在1 A cm-2时仅需要1.79 V的槽压，并不变运转410小时以上(图1)。
图1. (A) HER极化曲线。 (B) 在10 mA cm?2的电流密度下的计时电位(E~t)测试。(C) PEM电解池极化曲线。(D) PEM电解池在1 A cm?2和60oC前提下的计时电位曲线，插图为PEM电解池器件的照片。
研究人员发觉催化剂的析氢本征活性跟着功函数或零电荷电势的增年夜而增添。为了理解其内涵机制，研究人员操纵红外光谱进行原位测试，发觉S搀杂的白铁矿型CoSe2催化剂在施加电位下，其“gap-H2O”份子的比例跨越黄铁矿型催化剂，这是因为其零电荷电势更接近析氢热力学均衡电位，致使界面电场弱，从而对双电层中的氢键收集的扰动较弱，加强了双电层中氢键收集的连通性，增进了氢在双电层中的传输 (图2)。
图2. (A) 多种催化剂的UPS谱。(B) 多种催化剂的功函数和互换电流密度之间的线性关系。(C) 多种催化剂的零电荷电位 (PZC) 值, (D) 原位SEIRAS谱。(E) gap-H2O份子在双电层中的比例。
在该工作中，研究人员经由过程S搀杂策略，成功地实现了黄铁矿型CoSe2向耐酸白铁矿型布局的改变，并揭示出优良的析氢活性和不变性。另外，将该催化剂在现实的PEM电解池中表示优良，揭示出广漠的潜伏利用前景。研究注解，硫搀杂的催化剂具有更优的不变性是由于Co-Se(S) 键更强的共价性。另外，硫元素还能有用调控催化剂的电子布局，增添界面氢键收集的连通性，晋升双电层中的氢传输，从而更有益在氢吸附并加强催化机能。
论文的配合第一作者为中国科年夜博士后张晓隆、博士生余鹏程和苏晓智。中国科年夜高灵敏传授为通信作者。相干研究遭到国度天然科学基金委、国度重点研发打算、安徽省重点研究与开辟打算等项目标帮助。
论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adh2885
,乐鱼报道
