利用间歇性可再生能源电解水制备高纯度氢气具有广阔的应用前景.目前,在电催化析氢反应中,高效稳定的催化剂主要应用于由去离子水构成的酸性或碱性电解液.然而淡水资源的稀缺性极大地限制了其发展空间.海水资源在全球水资源储量占比高达97％,因此实现海水高效稳定制备氢气将极大程度缓解淡水资源对于电催化析氢反应发展的限制.金属磷化物具有良好的电子传输能力,有利于促进析氢反应动力学.合理调节金属磷化物的电子结构,有利于其对反应中间体的吸附和氢气的脱附,从而促进产氢.同时,金属磷键能够稳定金属原子,防止反应过程中金属原子的溶解失活,从而提高催化剂稳定性.构建负载型金属磷化物异质结能够引入更多的析氢反应活性位点,进一步促进催化剂对水的吸附和中间体的活化.而且金属磷化物与高导电性和分散性的载体之间的强相互作用有助于催化剂活性的综合提升.尽管负载型磷化物异质结展现出了良好的析氢性能,但其在海水中的析氢本征活性仍难以超越商业铂碳催化剂.基于此,本文提出了一种简单快速的无溶剂微波方法,并成功制备了一系列Ru2P@Ru/CNT催化剂.催化剂的完整制备过程只需1 min,并且不涉及任何溶剂的使用.表征结果表明,负载在碳纳米管上的Ru2P@Ru纳米颗粒直径仅为2.5 nm左右.这是由于微波提供的高温将反应物快速烧结成所需的晶相,同时,较短的反应时间限制了纳米颗粒的尺寸的增长,并减少了挥发性元素的损失.电化学测试结果表明,比例优化后的Ru2P@Ru/CNT (Ru2P∶Ru=66∶34)在1.0 mol/L KOH和真实碱性海水中分别只需要23和29 mV的过电位即可达到10 mA cm-2的电流密度,是已报道的非Pt基材料中催化效果较好的催化剂之一.并且,Ru2P@Ru/CNT具有出色的本征活性,在1.0 mol/L KOH和真实碱性海水中的转换频率分别为13.1和8.5S-1,远超商业Pt/C.此外,本文进一步探索了Ru2P@Ru/CNT在高电流密度下的催化活性.电化学测试结果表明,Ru2P@Ru/CNT在1.0 mol/L KOH中仅需要77和104 mV的过电位即可达到500和1000 mA cm-2的电流密度.同时,经过100 h的稳定性测试,该催化剂无论在低电流密度、高电流密度以及碱性海水中都展示出了较好的稳定性.

超小纳米粒子;磷化物;多界面;无溶剂微波法;海水裂解

张丹;苗红福;吴雪珂;王作超;赵欢;石月;陈希磊;肖振宇;赖建平;王磊

青岛科技大学生态化工教育部重点实验室,生命科学光电传感与分析化学重点实验室,生态化学过程与技术泰山学者优势与特色学科团队,山东青岛266042;山东省海洋环境腐蚀与安全防护工程研究中心,青岛科技大学环境与安全工程学院,山东青岛266042;青岛科技大学化学与分子工程学院,山东青岛266042

催化学报

[1]张丹;苗红福;吴雪珂;王作超;赵欢;石月;陈希磊;肖振宇;赖建平;王磊-.可规模化合成的Ru2P@Ru/CNT用于高效海水裂解)[J].催化学报,2022(04):1148-1155

Ru2P,海水裂解,超小纳米粒子,无溶剂微波法

CNT,间歇性,可再生能源电,电解水,高纯度,氢气,电催化析氢反应,高效稳定,主要应用,去离子水,碱性电解液,淡水资源,稀缺性,资源储量,金属磷化物,电子传输,传输能力,析氢反应动力学,调节金,电子结构,中间体,附和,脱附,产氢,磷键,定金,反应过程,中金,失活,负载型,异质结,反应活性位点,高导电性,分散性,强相互作用,催化剂活性,综合提升,析氢性能,商业铂碳,铂碳催化剂,制备过程,碳纳米管,纳米颗粒,颗粒直径,反应物,烧结,结成,晶相,时间限制,挥发性,电化学测试,KOH,mV,过电位,mA,Pt,基材,催化效果,出色,5S,高电流密度,催化活性,稳定性测试,展示出,多界面

0.257249