电解水催化制氢(HER)被认为是一种有效获取氢气的清洁方法。虽然酸性HER的活性比碱性HER高几个数量级,但是由于碱性HER温和的反应条件,所以工业上常通过使用碱性环境来产氢。不同于酸性HER反应机制,碱性HER不仅只是质子的吸附过程,还需要先发生水的裂解将水分子分解为质子与氢氧根。所以虽然Pt是目前公认的最优异的HER催化剂,但是由于其较差的裂解水能力使其碱性HER催化活性远不及酸性HER。因此开发出高效的碱性HER催化剂是工业电解水制氢的一大难题。
贵金属氧化物中金属阳离子和非金属阴离子可以协同地去裂解水,同时具有高的表面能,能有效地吸附质子,所以贵金属氧化物在高效碱性HER中具有很大应用潜力。但是贵金属氧化物会在HER工作电势下发生自身的还原反应变为纯金属,所以稳定持续地工作是贵金属氧化物应用于碱性HER领域的极具挑战性的难题。
最近,天津大学杜希文教授(点击查看介绍)团队提出了一种应变工程策略,将RhO2催化剂嵌入到Rh基体内,利用压应变稳定了贵金属氧化物。这种催化剂可以在析氢反应的还原电势下稳定工作,获得了高度的稳定性和优异的催化性能。
研究团队利用激光液相烧蚀水中的铑(Rh)靶制备出一种独特的RhO2嵌入到Rh基体内的草莓状结构(SLNP),由于RhO2与Rh的晶格失配使RhO2具有压应变。在1M KOH中,SLNP具有优异的HER催化性能,其10 mA cm-2处的过电势仅为14 mV,Tafel斜率仅为30 mV/dec,远优于商用Pt/C。
他们通过原位同步辐射表征证明了SLNP可以稳定地催化HER反应,其最大稳定工作电压可以达到-0.3 V(vs. RHE)。这项工作证明了贵金属氧化物是一种优异的碱性HER催化材料,同时应变工程在还原电势下来稳定贵金属氧化物是一种有效的策略。
这一成果近期发表在Advanced Materials 上,文章第一作者是天津大学博士研究生李喆。
原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):
Stable Rhodium (IV) Oxide for Alkaline Hydrogen Evolution Reaction
Zhe Li, Yi Feng, Yu-Lin Liang, Chuan-Qi Cheng, Cun-Ku Dong, Hui Liu, Xi-Wen Du
Adv. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adma.201908521
导师介绍
杜希文
https://www.x-mol.com/university/faculty/39456