近日，华东师大化学与分子工程学院上海市绿色化学与化工过程绿色化重点实验室特聘教授施剑林院士与青年教师陈立松博士在有机物辅助电催化析氢领域取得重要进展。研究成果以“Nickel-molybdenum nitride nanoplate electrocatalysts for concurrent electrolytic hydrogen and formate productions”为题发表在《自然•通讯》(Nature Communications)上(Nat. Commun, 2019, 10, 5335)。
施剑林院士与青年教师陈立松博士的研究成果刊登于《自然•通讯》
氢气因具有能量密度高、清洁高效等诸多优点而被誉为未来最有前景的能源载体。电解水制氢技术可以将难以并网利用的电能转化为氢气，具有能量转化效率高、产氢速率快、氢气纯度高等优势，是目前制备高纯氢气的最理想方案之一。然而，电催化制氢面临着阳极析氧反应(OER)动力学缓慢，产生的氧气附加值较低等问题，且存在与阴极产生的氢气混合而发生爆炸的危险。
针对上述问题，施剑林院士与青年教师陈立松博士团队提出在电解液中加入廉价有机物，以有机物的氧化反应取代OER过程。有机物辅助电催化析氢，不仅解决了电解过程中阳极过电位大的问题，还能得到高附加值产品。课题组经过深入探索，研制了一种新型电催化剂—Ni-Mo-N/CFC纳米片，该材料可以同时作为甘油辅助电催化析氢电解池的阴极和阳极催化剂，高效率实现了电催化生产高纯氢气和高附加值的甲酸盐。
青年教师陈立松博士（右）和团队成员李妍（左）在实验室
在前期电催化析氢的研究过程中，该团队提出了“降低OER过电位”(开发高效催化剂，降低OER过电位；ACS Catal., 2018, 8, 3688-3707；J. Mater. Chem. A 2017, 5, 22568-22575)，“取代OER过程”(以甲醇等易被氧化物质的氧化过程取代OER过程；ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10 39002-39008；ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10, 25422-25428)的策略。在此基础上，课题组提出了“利用OER过电位”的思路，建立了将附加值较低的有机物转化为附加值较高产品的“有机物辅助析氢法”(J. Mater. Chem. A 2018, 5, 13538-13548)。在最新研究工作中，基于过渡金属基氮化物具有较低电阻和较高机械稳定性的优点，课题组通过水热法在碳纤维布上生长了镍钼化合物NiMo-Pre/CFC，而后通过高温氮化得到镍钼氮化物(Ni-Mo-N/CFC)。电化学实验表明，以甘油为辅助物，Ni-Mo-N/CFC催化剂在阳极可将甘油氧化生成高附加值的甲酸盐，同时提供电子促进水分解生产氢气。当Ni-Mo-N/CFC同时作为电解池的阴极和阳极催化剂时，达到10mA cm-2电流密度仅需要1.36 V电压，比纯水分解所需电压低0.260 V。在该体系中，氢气和甲酸盐生产的法拉第效率可高达99.7%和95.0%。有机物辅助电催化析氢策略显著降低了电催化制氢的能耗，得到了高附加值阳极产物，避免了氢氧混合可能发生的爆炸危险。基于上述优势，课题组的研究策略对于可再生能源发展提供了新思路，有望进一步发展成为一种高效节能，具有潜在应用前景的新技术。
图2 Ni-Mo-N/CFC催化剂的结构和形貌
图3 甘油溶液中同时生产氢气和甲酸的示意图
通讯作者陈立松博士（左），第一作者李妍（中）和魏新发（右）
华东师大博士研究生李妍、魏新发为论文共同第一作者，施剑林院士与陈立松博士为论文共同通讯作者，何鸣元院士为研究工作开展提供了重要指导。华东师范大学为论文第一作者单位。该研究得到了国家自然科学基金、上海市扬帆计划、国家博士后科研基金以及高性能陶瓷与超微结构国家重点实验室开放项目的资助。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-019-13375-z
图文、来源｜化学与分子工程学院 编辑｜王睿珺 编审｜郭文君
