[所屬分類:行業(yè)動(dòng)態(tài)] [發(fā)布時(shí)間:2024-5-21] [發(fā)布人:楊曉燕] [閱讀次數(shù):] [返回]

甲醇電氧化催化劑助力高效混合海水電解制氫
作者：朱漢斌   來源：中國(guó)科學(xué)報(bào)  
山東拓普生物工程有限公司  http://www.jlkcpj.cn
近日，松山湖材料實(shí)驗(yàn)室研究員劉利峰團(tuán)隊(duì)與廣東工業(yè)大學(xué)大學(xué)教授劉全兵團(tuán)隊(duì)（負(fù)責(zé)理論計(jì)算）合作，在多元金屬間化合物甲醇電氧化催化劑助力高效混合海水電解制氫研究方面取得重要進(jìn)展。相關(guān)成果發(fā)表于《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）。
由于海水資源豐富而且廉價(jià)，海水電解目前被廣泛認(rèn)為是一種潛力巨大的制氫方式。然而，長(zhǎng)期以來，由于陽極競(jìng)爭(zhēng)性析氯反應(yīng)的干擾以及較高的電解能耗，海水電解制氫在大規(guī)模應(yīng)用方面一直面臨著嚴(yán)峻的技術(shù)挑戰(zhàn)。為了解決這一問題，劉利峰團(tuán)隊(duì)近年來一直在探索混合電解海水制氫的途徑。
據(jù)介紹，混合電解海水制氫采用了熱力學(xué)上更有利的陽極小分子電氧化反應(yīng)來取代高能耗的析氧反應(yīng)，從根本上改變了電解槽陽極的電化學(xué)反應(yīng)，從而大幅降低了制氫的能耗。更重要的是，這種方法可以有效地避免海水電解過程中析氯副反應(yīng)的干擾，極大延長(zhǎng)電解槽材料和部件的壽命。
甲醇是最簡(jiǎn)單的一元醇，具有價(jià)格低，水溶性好以及其熱力學(xué)氧化電位較低等優(yōu)點(diǎn)。甲醇電氧化的理論起始電位僅為0.016 vs. RHE，因此利用甲醇電氧化反應(yīng)來取代析氧反應(yīng)將大大減小電解的能耗，同時(shí)確保即使在大電流密度下電解也不會(huì)觸發(fā)陽極析氯反應(yīng)。最大程度上發(fā)揮甲醇電氧化反應(yīng)取代優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵是開發(fā)高效的甲醇電氧化反應(yīng)催化劑。
為此，研究團(tuán)隊(duì)采用浸漬-凍干法制備了一系列新型的四元Pt(2-x)PdxCuGa金屬間化合物納米粒子（i-NPs）催化劑。詳細(xì)的電化學(xué)表征顯示，以Pd原子取代Pt2CuGa中10%的Pt原子得到的Pt1.8Pd0.2CuGa/C i-NPs催化劑具有最佳的甲醇電氧化反應(yīng)電催化性能，其甲醇電氧化反應(yīng)質(zhì)量活性超過之前報(bào)道的大部分Pt基電催化劑。同步輻射X射線吸收譜研究證明了Pd以原子分散形態(tài)存在于Pt1.8Pd0.2CuGa/C i-NPs中。密度泛函理論計(jì)算顯示，Pd的引入導(dǎo)致了催化劑表面電子態(tài)的重新分布，相對(duì)缺電子的Pd位點(diǎn)有利于OH?的吸附，相對(duì)富電子的Pt位點(diǎn)可以減弱反應(yīng)中間體的吸附，其協(xié)同作用加速了甲醇的氧化。
此外，原位表面增強(qiáng)拉曼光譜和在線差分質(zhì)譜研究證實(shí)了甲醇氧化過程中主要的反應(yīng)中間體為*HCOO，而不是可以導(dǎo)致催化劑中毒的*CO，因此甲醇可以高效、穩(wěn)定地被Pt1.8Pd0.2CuGa/C i-NPs催化氧化。進(jìn)一步地，團(tuán)隊(duì)研究人員展示了將Pt1.8Pd0.2CuGa/C i-NPs催化的甲醇電氧化反應(yīng)與陰極析氫反應(yīng)耦合，可以大大減低電解所需的電壓，電解池在75℃條件下工作在500 mA/cm2大電流密度下的電壓僅為0.938V，而且電解池在模擬海水和天然海水中均可以穩(wěn)定運(yùn)行上百小時(shí)。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1002/adma.202403792
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