背景介绍
近年来,随着能源短缺和环境问题的日益严重,绿色能源的研发备受关注。电催化制氢技术作为一种可持续发展的绿色能源技术,其重要性日益凸显。然而,高成本和低效率一直以来都是制约其应用的关键问题。鉴于电催化制氢性能不仅与表面反应能垒有关,也被受界面水结构影响的中间产物传输过程影响。为此,江苏大学乔芬课题组及其合作者通过界面水调控技术,可以大幅提升电催化制氢的性能,利用水分子在电极表面形成特殊的界面状态,从而改善反应过程中的催化活性和电子传输效率。研究发现,界面水调控技术可以显著提高电极的催化活性,使其在较低的电压下就能够实现高效的水电解反应。这意味着,我们可以用更少的能量来产生更多的氢气,从而降低制氢的成本,并提高能源利用效率。除了提高催化活性和能源利用效率,界面水调控技术还可以有效抑制电极在长时间运行中的腐蚀和衰减问题。这意味着,可以延长电催化制氢装置的使用寿命,减少维护和更换的成本,进一步降低制氢的成本。
值得一提的是,界面水调控技术不仅可以应用于电催化制氢,还可以推动其他电化学反应的发展,这将进一步促进可再生能源的利用和能源转型的发展。界面水调控技术可以显著提升电催化制氢的性能,降低能源成本,促进可持续发展。相信在不久的将来,我们将会看到更多的绿色能源技术得到突破和应用,为我们的生活带来更加清洁和可持续的能源。
研究方法
本工作以Anderson型多金属氧酸盐为前驱体合成了Cu/Mo2C,通过原位衰减全反射表面增强红外吸收光谱研究界面水结构,确定带正电的Cu晶体具有活化水分子和优化界面水结构的功能,Cu/Mo2C的界面水中含有的自由水有利于反应中间体的运输。此外,Cu修饰调节了Mo2C的d带中心,减弱了氢在Mo位点的强吸附。通过密度泛函理论计算方法,深入探讨了界面水对电催化反应中间体运输的影响机制,有助于深入理解电催化制氢的反应机理,为开发高效、环保的电催化制氢材料提供理论支持。
成果简介
通过对Cu/Mo2C的界面水结构、氢吸附能和活性水分子的调控,获得了优异的HER性能,在1M KOH电解液中仅需24mV和178mV就可实现10mA·cm-2和1000mA·cm-2的电流密度。高温碳化处理确保碳纳米片、Mo2C和Cu颗粒牢固地附着在基体上,防止了它们在电解过程中的脱落现象,在高电流密度下Cu/Mo2C稳定工作超过150小时而展现出极好的稳定性能。本工作从界面水结构优化方面提高了催化剂性能,加深了对水介导催化的认识。
图文导读
图1. Cu/Mo2C催化剂的结构表征
图4.DFT计算
作者简介
金敦沅, 江苏大学能源与动力学院硕士研究生, 目前为中国科学技术大学在读博士生, 主要从事电催化制氢方向的研究。
乔芬,江苏大学能源与动力工程学院教授,博士生导师,储能科学与工程研究所所长。主要研究领域为纳米自组装、光/电催化制氢、离子电容器的设计及传输机理分析。目前发表SCI 论文100余篇,授权发明专利4项,主持国家级、省部级项目和企业委托项目10余项。担任经信委电子类评审专家、江苏省科技创新评审专家、广东省基础与应用基础研究基金评审专家、江苏省工程热物理学会会员、中国化学学会会员和江苏省制冷学会会员。
李海涛, 江苏大学能源研究院教授,博士生导师,太阳能研究所副所长,主要从事新型碳基功能材料的设计及其在催化、传感和清洁能源等领域的研究工作, 已陆续主持9项国内外科研项目,发表50余篇SCI论文,授权中国专利5项。
课题组招聘
江苏大学乔芬教授课题组常年招收光/电催化制氢、电容器及理论计算方向的海内外博士和博士后,联系邮箱: fqiao@ujs.edu.cn
文章信息
Jin D, Qiao F, Zhou Y, Wang J, Cao K, Yang J, Zhao J, Zhuo L, Li H. Cu/Mo2C Synthesized through Anderson-type Polyoxometalates Modulate Interfacial Water Structure to Achieve Hydrogen Evolution at High Current Density. Nano Research, 2023, https://doi.org/10.1007/s12274-023-6237-6.
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