高熵合金金属烯用于酸性条件下全水分解

作     者：张丹 石月 陈希磊 赖建平 黄勃龙 王磊 Dan Zhang;Yue Shi;Xilei Chen;Jianping Lai;Bolong Huang;Lei Wang

作者机构：青岛科技大学化学与分子工程学院生态化工国家重点实验室基地生态化工程与绿色制造国际科技合作基地山东青岛266042 青岛科技大学环境与安全工程学院山东省海洋环境腐蚀与安全防护工程研究中心山东青岛266042 香港理工大学应用生物及化学科技学系中国香港九龙999077 

基　　金：国家自然科学基金(22001143,52072197) 山东省高校青年创新技术基金(2019KJC004) 山东省杰出青年基金(ZR2019JQ14) 泰山学者青年专家计划(tsqn201909114,tsqn201909123) 山东省优秀青年基金(ZR2020YQ34) 重大科技创新项目(2019JZZY020405) 山东省自然科学基金重大基础研究项目(ZR2020ZD09) 

出 版 物：《Chinese Journal of Catalysis》 (催化学报（英文）)

年 卷 期：2023年第45卷第2期

页      码：174-183页

摘      要：质子交换膜水电解槽(PEMWE)因其在低温下的高效率和高功率密度,成为新一代电解槽的发展方向.在水的电解过程中,设计高效稳定的析氢反应(HER)和析氧反应(OER)催化剂是进一步提高电解槽应用的前提.根据HER和OER“火山型”分布曲线,贵金属(Ir,Ru等)依然是主要的基准电催化剂.对于酸性条件下全水分解,Ir基和Ru基双功能催化剂仍然是最常见的选择.然而,与Ir基催化剂相比,Ru基催化剂在酸性条件下的高溶解速率易导致催化剂快速失活,大大降低了其实际应用价值.目前,酸性条件下全水分解的Ir基催化剂也取得了一些成果,如合金(如PdCu/Ir,Au@AuIr_(2),IrTe纳米棒和IrNi合金纳米花)、钙钛矿(如AIrO_(3))、硒化物(如Li-IrSe_(2))和团簇(如Ir纳米团簇,IrNi纳米团簇)等.然而,Ir基材料在高电流密度下仍然面临质量活性低和稳定性有限的挑战(100 mA cm^(-2)时的过电位超过420 mV,酸性整体水分解在高电流密度下的长期稳定性差).上述问题使得电催化剂无法满足PEMWE的应用要求.因此,开发具有优异电化学活性和稳定性的新型Ir基电催化剂成为当务之急.近年来,至少由五种元素组成的高熵合金(HEAs)材料具有在极端条件下的硬度、韧性、腐蚀性和热稳定性等的强耐受性,因而引起了研究者的广泛兴趣.同时,不同组分的可控性也赋予了HEAs固有的晶格畸变和可调电子结构的协同效应,在催化领域也发挥着重要作用.目前,尚未见使用HEAs催化剂进行酸性条件下全水分解的相关报道.从形貌上看,金属烯具有表面金属原子体积比大、表面金属缺陷丰富、稳定性较好等优点,从而表现出较好的催化性能.因此,结合HEAs协同效应和金属烯结构优点的电催化剂,有望解决酸性条件下全水分解电催化剂的设计问题.本文成功制备了具有丰富的无定形和晶体结构的IrPdRhMoW HEA金属烯作为一种高效的双功能电催化剂,用于酸性条件下全水分解.在0.5 mol L^(-1)H_(2)SO_(4)溶液中,IrPdRhMoW/C在10 mA cm^(-2)下HER和OER的过电位分别为15和188 mV,远强于商业催化剂(HER:Pt/C,47 mV和OER:RuO_(2),305 mV)和大部分已报道的贵金属基催化剂.使用IrPdRhMoW/C进行全水分解,只需1.48 V的电池电压即可获得10 mA cm^(-2)的电流密度,而实现100 mA cm^(-2)的电流密度所需的电池电压为1.59 ***/C在100 mA cm^(-2)水分解100 h后仍保持较好的电活性和结构稳定性,这也是在高电流密度下实现酸性条件下全水分解的长期稳定性.密度泛函理论计算结果表明,由于晶体和非晶结构的共存,HEA中电子结构的具有自平衡效应.强轨道耦合不仅最大限度地提高了对HER和OER的电活性,而且稳定了金属位点的价态,以实现持久的电催化全水分解.综上,本工作不仅成功制备了HEA金属烯,而且将其应用于酸性条件下全水分解.此外,电荷自平衡效应可以解决酸性条件下全水分解过程中活性与稳定性之间的问题,且有望进一步应用到其他电催化剂的设计和合成中.

主 题 词：高熵合金 金属烯 结晶/非晶 全水解 酸性介质 

学科分类：081702[081702] 081705[081705] 08[工学] 0817[工学-轻工类] 

核心收录：

D　O　I：10.1016/S1872‐2067(22)64166‐4

馆 藏 号：203118246...