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因此电解水反应需要两种不同类型催化剂

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6月6日,记者了解到,中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所李越研究员课题组在分级异质结构Ni3Se4@NiFe水滑石纳米片的制备及其全解水研究方面取得新进展,相关研究结果发表在Nanoscale Horizons (Nanoscale Horiz., DOI:10.1039/x0xx00000x)上。

随着能源危机和环境问题的日益严峻,人们对发展清洁、可持续的能源需求日益增长。氢能由于具有能量密度较高、环境友好、可再生等特点,是化石燃料的理想替代品。在各种各样的制氢技术中,电解水被认为是一种最有潜力的制氢技术,这是因为电解水可以将其他绿色能源储存在氢气中,实现可持续发展。

电解水规模化应用的关键是如何降低阳极析氧反应和阴极析氢反应的过电位,实现在低电位下的大电流产氢,进而降低电能消耗与制氢成本。研究表明Ru、Ir、Pt等贵金属及其氧化物具有最优异的析氢催化性能,但其价格昂贵、资源匮乏限制了这些材料的广泛应用。因此,发展廉价高效非贵金属电解水催化剂具有十分重要的科学意义和实用价值。

现有催化剂通常只对一种反应具有较高的催化活性,因此电解水反应需要两种不同类型催化剂。这使得电解水设备更加复杂,运行成本增加。如果将不同功能的催化剂组装成一种分级结构的异质结纳米材料,构筑一种双功能全解水催化剂,可以有效解决上述问题。

电解水规模化应用的关键是如何降低阳极析氧反应和阴极析氢反应的过电位,实现在低电位下的大电流产氢,进而降低电能消耗与制氢成本。研究表明Ru、Ir、Pt等贵金属及其氧化物具有最优异的OER和HER催化性能,但其价格昂贵、资源匮乏限制了这些材料的广泛应用。因此,发展价廉高效非贵金属电解水催化剂具有十分重要的科学意义和实用价值。此外,现有催化剂通常只对一种反应具有较高的催化活性,因此电解水反应需要两种不同类型催化剂。这使得电解水设备更加复杂,运行成本增加。如果将不同功能的催化剂组装成一种分级结构的异质结纳米材料,构筑一种双功能全解水催化剂,可以有效解决上述问题。

图1. Ni3Se4@NiFe LDH制备过程示意图

基于此,固体物理研究所的研究人员通过简单的两步水热法,将具有析氢性能的Ni3Se4纳米片和析氧性能的NiFe LDH组装成具有分级结构的异质Ni3Se4@NiFe LDH全解水催化剂。

图2. Ni3Se4@NiFeLDH全解水性能测试

由于稳定的分级结构以及NiFe LDH和Ni3Se4之间的电子相互作用,Ni3Se4@NiFe LDH纳米催化剂具有优异的全解水活性,并且在电流密度为10mA cm-2时能持续工作100小时,没有明显的衰减,证明其稳定性非常好,该研究工作为开发低成本、高活性的双功能电解水催化剂提供了一种有效的设计思路。以上研究得到了中科院交叉团队项目和国家自然科学基金项目资助。

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