科研进展丨多元金属间化合物甲醇电氧化催化剂助力高效混合海水电解制氢

2024-05-16
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由于海水资源丰富而且廉价,海水电解(SWE)目前被广泛认为是一种潜力巨大的制氢方式。然而,长期以来,由于阳极竞争性析氯反应(CER)的干扰以及较高的电解能耗,海水电解制氢在大规模应用方面一直面临着严峻的技术挑战。为了解决这一问题,能源转换与存储材料团队近年来一直在探索混合电解海水(hybrid seawater electrolysis)制氢的途径(Adv. Mater. 2023, 36, 2308647)。混合电解海水制氢采用了热力学上更有利的阳极小分子电氧化反应来取代高能耗的析氧反应(OER),从根本上改变了电解槽阳极的电化学反应,从而大幅降低了制氢的能耗。更重要的是,这种方法可以有效地避免海水电解过程中析氯副反应的干扰,极大延长电解槽材料和部件的寿命。

甲醇是最简单的一元醇,具有价格低,水溶性好以及其热力学氧化电位较低等优点。甲醇电氧化的理论起始电位仅为0.016 vs. RHE,因此利用甲醇电氧化反应(MOR)来取代OER将大大减小电解的能耗,同时确保即使在大电流密度下电解也不会触发阳极析氯反应。最大程度上发挥甲醇电氧化反应取代优势的关键是开发高效的MOR催化剂。为此,团队研究人员近期与广东工业大学刘全兵教授课题组(负责理论计算)合作,采用浸渍-冻干法制备了一系列新型的四元Pt(2-x)PdxCuGa金属间化合物纳米粒子(i-NPs)催化剂。详细的电化学表征显示,以Pd原子取代Pt2CuGa中10%的Pt原子得到的Pt1.8Pd0.2CuGa/C i-NPs催化剂(见图1a)具有最佳的MOR电催化性能,其MOR质量活性超过之前报道的大部分Pt基电催化剂。同步辐射X射线吸收谱(XAS)研究证明了Pd以原子分散形态存在于Pt1.8Pd0.2CuGa/C i-NPs中。密度泛函理论(DFT)计算显示,Pd的引入导致了催化剂表面电子态的重新分布,相对缺电子的Pd位点有利于OH− 的吸附,相对富电子的Pt位点可以减弱反应中间体的吸附,其协同作用加速了甲醇的氧化。此外,原位表面增强拉曼光谱(SERS)和在线差分质谱(DEMS)研究证实了甲醇氧化过程中主要的反应中间体为*HCOO,而不是可以导致催化剂中毒的*CO,因此甲醇可以高效、稳定地被Pt1.8Pd0.2CuGa/C i-NPs催化氧化。进一步地,团队研究人员展示了将Pt1.8Pd0.2CuGa/C i-NPs催化的MOR与阴极析氢反应(HER)耦合,可以大大减低电解所需的电压(图1b),电解池在75℃条件下工作在500 mA/cm2大电流密度下的电压仅为0.938V(图1c),而且电解池在模拟海水(1 M KOH + 0.5 M NaCl + 1 M CH3OH)和天然海水中均可以稳定运行上百小时(图1d-e)。

图1. (a)Pt1.8Pd0.2CuGa/C i-NPs的元素空间分布图。(b)在含有甲醇和和不含甲醇的碱性海水电解液中电解的极化曲线。(c)不同温度下“MOR + HER”耦合电解海水的极化曲线;“MOR + HER”耦合电解海水制氢的稳定性测试:(d)碱性模拟海水;(e)碱性天然海水。

本工作以“Pt1.8Pd0.2CuGa Intermetallic Nanocatalysts with Enhanced Methanol Oxidation Performance for Efficient Hybrid Seawater Electrolysis”为题于2024年5月11号发表在领域内知名期刊《Advanced Materials》上。能源转换与存储材料团队与广东工业大学联培硕士生徐凯洋为文章的第一作者,团队刘利峰研究员、广东工业大学大学刘全兵教授为文章的共同通讯作者。

该文章的网络链接为: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202403792?af=R

 

 

撰稿:能源转换与存储材料团队