華中科技大學(xué)材料學(xué)院李箐教授團(tuán)隊(duì)在高性能電解水制氫領(lǐng)域取得重要進(jìn)展
文章來源：新能源網(wǎng) 更新時(shí)間：2025-03-27 14:56:43
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氫能發(fā)展對解決能源和環(huán)境問題至關(guān)重要，水電解制氫是實(shí)現(xiàn)其商業(yè)化的重要途徑。在各種電解水技術(shù)中，陰離子交換膜水電解（AEMWE）因其使用非銥基催化劑而具有顯著的成本優(yōu)勢，能夠在工業(yè)規(guī)模（≥1 A/cm²）的輸出電流密度下顯著降低成本。然而，在AEMWE的陰極氫析出反應(yīng)（HER）中，活性氫的供應(yīng)依賴于動(dòng)力學(xué)緩慢的水解離過程（Volmer步驟），這導(dǎo)致目前商業(yè)催化劑的活性難以達(dá)到大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用的性能要求。因此，開發(fā)高性能的陰極電催化劑以提升堿性HER的活性對于AEMWE的商業(yè)化至關(guān)重要。釕（Ru）基催化劑因其較低的成本、較低的水解離能壘和與鉑（Pt）相當(dāng)?shù)臍湮侥芰Γ徽J(rèn)為有潛力替代傳統(tǒng)的Pt基催化劑。
本研究采用電化學(xué)鋰化策略，將鋰嵌入直徑小于2納米的釕錫（Ru-Sn）合金納米線晶格中。通過調(diào)控鋰離子電池組裝過程中的截止電壓與電流密度，可實(shí)現(xiàn)鋰含量的精準(zhǔn)調(diào)節(jié)。在電化學(xué)測試過程中，納米線晶格中鋰的部分溶解進(jìn)一步提升了樣品的析氫反應(yīng)性能。通過原位拉曼光譜與原位X射線吸收光譜，揭示了電化學(xué)過程中電極結(jié)構(gòu)及界面水分構(gòu)型的動(dòng)態(tài)演變規(guī)律。理論計(jì)算表明，鋰的嵌入可有效降低釕錫納米線的水解離能壘，而溶解的Li+通過與更多水分子配位，可顯著增加界面水分子密度并提升氫鍵網(wǎng)絡(luò)的連通性。
本研究得到的鋰化的釕錫（Li-Ru-Sn）納米線在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中表現(xiàn)出了卓越的性能，在電流密度達(dá)到300 mA cm-2時(shí)，其過電位僅為130 mV，而在穩(wěn)定性測試中，該樣品在該電流密度下的過電位降低至97 mV，隨后穩(wěn)定運(yùn)行。以該催化劑作為陰極組裝的AEMWE也展現(xiàn)了非凡的表現(xiàn)，在1 A cm2的工業(yè)級(jí)大電流密度下，以較低的槽壓（1.689 V）穩(wěn)定運(yùn)行1000小時(shí)以上。以上測試結(jié)果表明，本研究制備的Li-Ru-Sn納米線是目前文獻(xiàn)中報(bào)道的性能最優(yōu)異的堿性HER催化劑之一。該研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2021YFA1600800）、國家自然科學(xué)基金（U24A20499、22479056、22122202）、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)（5003110132）以及華中科技大學(xué)-悉尼科技大學(xué)關(guān)鍵技術(shù)合作種子基金的支持。
論文鏈接：https://doi.org/10.1021/jacs.4c17373 |
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