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南工开发出新型非贵金属催化剂
来源:中国化工信息网    编辑:绿色化工信息网

【绿色化工网讯】 氢燃料电池汽车以其高效、节能、环保,在不久前李克强总理访日时曾引起了国人的强烈关注。氢能源作为一类高能量密度的可再生清洁能源,在解决能源与环境问题领域具有巨大优势。而用电解水方法制备氢气时,以往多使用成本高昂、储量稀少的贵金属催化剂(如氧化铱催化剂等)。日前,南京工业大学开发出了一种新型的非贵金属催化剂,以代替传统的氧化铱催化剂。这种反钙钛矿基的新型非贵金属催化剂不仅催化活性高,稳定性好,降低了能耗,而且与储量匮乏、成本高昂(600元/克)的氧化铱相比,价格仅为氧化铱的千分之一,可谓是物美价廉。这一研究成果日前在Nature Communications上发表。
  据研究团队周嵬教授介绍,反钙钛矿(结构式为AXB3)结合了钙钛矿结构的灵活性和过渡金属氮(碳)化物高导电性、优异电催化性等优点,理论上来说是一种很有发展潜力的析氧反应电催化剂。然而,和钙钛矿材料有着类似的瓶颈,就是其成相温度高达几百甚至上千摄氏度,导致材料烧结严重,比表面积低下,活性位点暴露极少。有鉴于此,该研究团队首先设计了一个Cu富余的CuNNi3复合的反钙钛矿催化剂,随后利用Fe3+和Cu,Ni进行反应,开发出了一种多孔的,具有核壳结构的Cu1-xNNi3-y/FeNiCu复合催化剂。该催化剂仅需要比热力学理论电压高出0.23 V的电压,即可驱动析氧反应的发生,同时该催化剂也展现了良好的稳定性,不易溶解。该项工作不仅给科研界的基础研究提供了一种全新的设计思路,同时,开发出来的新型非贵金属催化剂兼具极高的催化活性与稳定性,价格仅为氧化铱的千分之一,在实际应用中显示出了极大的应用前景。
  据论文第一作者朱艳萍介绍,电解水制氢的时候,阴极和阳极都会发生反应,阴极产氢气,阳极产氧气。阳极的反应很慢,会限制整体的催化效率,“所以我们开发的这种阳极的非贵金属催化剂,使得产氧气的速度变快了,这样,产氢气就不会被拖后腿了,制备氢气的整体效率也大大提高了。”
  南京工业大学邵宗平教授和周嵬教授团队多年来一直致力于研究钙钛矿(结构式为ABX3)材料在能源转换与存储中的应用。钙钛矿可谓是科研界的“明星”材料,其结构灵活可调、组成元素种类众多且来源丰富,在包括电解水等众多的能源转换与存储领域有着极大的应用前景。继该团队去年在Science子刊(Science Advances)发表钙钛矿基电解水催化剂的重大突破后,今年,他们首次将反钙钛矿材料成功应用到电解水领域,并取得可喜的成果。该研究成果日前在Nature Communications上发表。