2018年8月14日
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现代工程与应用科学学院张会刚教授课题组在《Advanced Materials》发表高效节能电催化制氢最新研究成果

制氢是实现未来“氢经济”的关键步骤。作为一种潜在的制氢途径,电催化水分解制氢面临着高过电位、高电能消耗的主要问题,因此其制氢成本相对于目前传统的石化热重整工艺并没有明显的优势。为了减少能耗,降低成本,围绕电解水体系,降低电解反应的过电位,提高能量转化效率成为首要解决问题。

张会刚教授课题组提出了一种氮(N)阴离子调控策略,制备得到了N掺杂磷化钴(CoP)电催化剂用于电解水阴极析氢反应(HER)。N的引入可以有效调制CoP的电子结构,并且优化CoP表面对H的吸附作用。因为N具有比P更强的电负性,部分P被N取代导致Co上电子向N转移,降低了Co的d带中心。因此H在Co-Co桥位上的吸附相对于单纯CoP有所削弱,吸附能趋于热中性(图1)。当N掺杂CoP用作HER电催化剂,析氢过电位得到极大降低,在10 mA cm-2电流密度下的过电位为42 mV,相对于贵金属Pt的过电位仅高出10 mV。

(科学技术处 摄影)

图1 N掺杂CoP HER电催化剂用于电解水析氢和硫资源回收。

为了进一步降低电解水高电能消耗的问题,张会刚教授课题组同时着眼于电解水阳极反应这一部分。电解水阳极部分析氧反应(OER)是电解水高电能消耗和动力学迟缓的直接制约因素。该课题组展示了一种耦合电解系统,利用Fe2+/Fe3+氧化还原反应来替代阳极OER,实现了同时制氢和硫资源回收(图1)。H2S气体大量存在于石油/天然气田、石化冶炼副产品等领域,对环境具有极大的污染危害。这种耦合系统可以有效吸收H2S气体,实现硫磺沉淀,同时在较低电能消耗的前提下实现节能制氢。

该工作发表在材料领域顶级期刊Advanced Materials上。南京大学现代工程与应用科学学院15级博士研究生周清稳为论文的第一作者,张会刚教授为通讯作者,现代工程与应用科学学院王鹏教授,西北大学化工学院马海霞教授,西北大学信息科学与技术学院张志勇教授,北京大学深圳研究生院潘峰教授,湖南大学化学化工学院王双印教授为文章合作者。

文章相关链接:

Qingwen Zhou, Zihan Shen, Chao Zhu, Jiachen Li, Zhiyuan Ding, Peng Wang, Feng Pan, Zhiyong Zhang, Haixia Ma, Shuangyin Wang, and Huigang Zhang*, Nitrogen-Doped CoP Electrocatalysts for Coupled Hydrogen Evolution and Sulfur Generation with Low Energy Consumption, Advanced Materials

Published on-line on 17 MAY 2018. Link: https://doi.org/10.1002/adma.201800140

(现代工程与应用科学学院 科学技术处)