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他,南航歐洲工程院院士,聯(lián)手大化所「國家杰青」,新發(fā)Angew!

太陽能轉(zhuǎn)化為氫能(STH)的關(guān)鍵之一是開發(fā)具有持久活性的催化劑以解決嚴(yán)峻的電壓極化和海水腐蝕問題,但在現(xiàn)實(shí)條件下仍然是一個挑戰(zhàn)。

2024年12月23日,南京航空航天大學(xué)常焜教授、中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所吳忠?guī)?/strong>研究員團(tuán)隊在國際頂級期刊Angewandte Chemie International Edition發(fā)表題為《A 17.73% Solar-to-hydrogen Efficiency with Durably Active Catalyst in Stable Photovoltaic-electrolysis Seawater System》的研究論文,團(tuán)隊成員Yong Gao為論文第一作者,常焜教授、吳忠?guī)?/strong>研究員為論文共同通訊作者。

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常焜,南京航空航天大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師。2012年在浙江大學(xué)獲化學(xué)博士學(xué)位,導(dǎo)師:陳衛(wèi)祥教授。2012-2013年在加拿大西安大略大學(xué)材料工程系從事博士后研究,合作導(dǎo)師為加拿大皇家工程院院士孫學(xué)良教授。2018年加入南京航空航天大學(xué)材料學(xué)院工作。2023年12月,當(dāng)選為歐洲工程院院士。主要從事功能納米材料的設(shè)計制備在化學(xué)能源儲存和轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的研究工作。

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吳忠?guī)?/span>,研究員、博士生導(dǎo)師、國家杰出青年科學(xué)基金獲得者、英國皇家化學(xué)會會士。2011年在中國科學(xué)院金屬研究所獲博士學(xué)位,2015年6月加入中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所任職二維材料化學(xué)與能源應(yīng)用研究組組長。主要致力于二維材料化學(xué)與微納電化學(xué)能源應(yīng)用的基礎(chǔ)研究,包括微型儲能器件、超級電容器、先進(jìn)電池等。特別是針對可穿戴和微電子系統(tǒng)儲能器件的國家重大需求,其在國際上較早開展了微型電化學(xué)能源材料與器件的系統(tǒng)研究。

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在這里,作者報道了一種具有高度暴露的Ni-O-Ru單元的NiCr層狀雙氫氧化物(RuldsNiCr-LDH)的持久活性催化劑,其中低負(fù)載量的Ru(0.32 wt%)被Ni和Cr精確地鎖定在缺陷晶格位點(diǎn)(Rulds)。Cr位點(diǎn)的電子平衡庫和嵌入CO32-的Cl排斥,確保了Ni-O-Ru單元高度持久的活性。

研究表明,基于陰離子交換膜水電解(AEM-WE)的RuldsNiCr-LDH‖RuldsNiCr-LDH電解槽在電流密度為1000 mA cm-2下表現(xiàn)出超穩(wěn)定的海水電解;采用RuldsNiCr-LDH作為陽極和陰極,光伏-電解海水系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了17.73%的STH效率,相應(yīng)的光電制氫(PVTH)效率為72.37%。

此外,作者還闡明了界面水解離-氧化的動力學(xué)演化機(jī)制,建立了界面水動力學(xué)行為與RuldsNiCr-LDH催化水電解動力學(xué)、活性之間的關(guān)系。本工作是實(shí)現(xiàn)綠色氫氣經(jīng)濟(jì)規(guī)模生產(chǎn)的突破性一步。

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圖1:RuldsNiCr-LDH的表征結(jié)果

他,南航歐洲工程院院士,聯(lián)手大化所「國家杰青」,新發(fā)Angew!

圖2:RuldsNiCr-LDH的結(jié)構(gòu)分析

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圖3:RuldsNiCr-LDH的電催化性能

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圖4:光伏電解系統(tǒng)的能級圖

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圖5:RuldsNiCr-LDH催化水電解過程中界面水的動態(tài)演化機(jī)制

綜上,這篇文章為經(jīng)濟(jì)可行的綠色氫能生產(chǎn)提供了前瞻性方向,并為界面水解離氧化的動態(tài)演化機(jī)制提供了創(chuàng)新見解。

光電解系統(tǒng)有效地將可再生能源轉(zhuǎn)化為氫能,集成的持久性LDH基催化劑顯示出工業(yè)應(yīng)用的潛力?;贏EM-WE系統(tǒng)的RuldsNiCr-LDH‖RuldsNiCr-LDH電解槽在電流密度為1000 mA cm-2下實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的堿性水和海水電解,對應(yīng)的光電解系統(tǒng)展示了72.94%和72.37%的PVTH效率。

此外,對原子級缺陷工程和動態(tài)演化機(jī)制的基本理解將有助于合理指導(dǎo)持久活性催化劑的設(shè)計。因此,該光電解海水系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)可行的綠色氫能生產(chǎn)方面具有巨大的工業(yè)潛力,能夠?qū)崿F(xiàn)長期運(yùn)行耐久性。

A 17.73% Solar-to-hydrogen Efficiency with Durably Active Catalyst in Stable Photovoltaic-electrolysis Seawater System,?Angewandte Chemie International Edition,?2024.

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