鄭州大學&蘇州大學Adv. Sustainable Syst.: 統一電解水產氫和氨硼烷產氫的催化劑設計與研究

?【研究背景】

氫氣是一種理想的清潔、無毒、儲量豐富的能源載體，具有無可比擬的潛在開發價值。目前，電解水產氫和貯氫材料（氨硼烷等）釋放氫是兩種最有前途的清潔高效的產氫方式。如果能夠開發一種催化劑，同時適用于電解水產氫和氨硼烷產氫，將會大大節省人力、物力、財力，起到事半功倍的效果。雖然目前研究的許多催化劑都能夠促進其中一種反應，但同時適用于這兩種反應的統一催化劑依然尚未報道。因此，亟待開發一種低成本、高效、穩定的統一催化劑來實現氫氣的大規模制備。

【成果簡介】

近日，鄭州大學盧思宇副教授、陳志民副教授和蘇州大學康振輝教授(共同通訊作者)，第一作者鄭州大學劉源等人通過低溫水熱，設計合成了一種新型的多孔碳球均勻負載釕納米團簇的析氫反應催化劑，同時反復交替循環用于電催化產氫和氨硼烷產氫中，并在Adv. Sustainable Syst.?上發表了題為 “Unified Catalyst for Efficient and Stable Hydrogen Production by Both the Electrolysis of Water and the Hydrolysis of Ammonia Borane”的研究論文。研究表明，上述催化劑不僅在電催化產氫中表現出優異的催化性能，全pH值下具有極低的析氫反應過電位（j = 10 mA cm^?2?at η = 43, 49, and 11 mV in 0.5 M H₂SO₄, 1.0 M PBS, and 1.0 M KOH electrolytes），并且在氨硼烷產氫中表現出優異的催化活性（在298 K.，turnover frequency (TOF) = 706 min^?1），且表現出優異的穩定性能。使得一種催化劑可以適用于兩個反應，同時反復交替循環用于電催化產氫和氨硼烷產氫，統一了化學產氫和電化學產氫兩種產氫方式，在有電能存在的情況下采用電催化產氫，沒有電能存在的情況下循環用于貯氫材料釋放氫，從而實現高效、超穩定的制氫，極大地推動氫能的發展，并為可持續能源轉換技術提供一個有吸引力的解決方案。

【圖文導讀】

圖1：Ru@HPCS催化劑電鏡圖片

圖a-d) Ru@HPCS的掃描電鏡和透射電鏡圖片；

圖e) Ru@HPCS HAADF-STEM-EDS Mapping元素圖片，紅色代表C元素，綠色代表N元素，紫色代表Ru元素。

Ru納米團簇在N摻雜的HPCS內外均勻分布。

圖2：酸性溶液中，Ru@HPCS電解水產氫催化性能圖片

圖a) 0.5 M H₂SO₄中，Ru@HPCS、Ru@HCS、Pt/C、Ru、HPCS的HER性能

圖b-c) 相應的Tafel斜率和阻抗；

圖d) Ru@HPCS在酸性溶液中的循環穩定性。

圖3：中性和堿性溶液中，Ru@HPCS電解水產氫催化性能圖片

圖a) 1 M KOH中，Ru@HPCS、Ru@HCS、Pt/C、Ru、HPCS的HER性能；

圖b-c) 相應的Tafel斜率和阻抗；

圖d) Ru@HPCS在堿性溶液中的循環穩定性；

圖e) 1 M PBS中，Ru@HPCS、Ru@HCS、Pt/C、Ru、HPCS的HER性能；

圖f) Ru@HPCS在中性溶液中的循環穩定性。

Ru@HPCS在全pH下具有優異的電催化產氫性能，較低的tafel斜率，優異的循環穩定性，媲美20 wt% 的商業Pt/C。

圖4：Ru@HPCS氨硼烷產氫催化性能圖片

圖a) Ru@HPCS、Ru@HCS、Ru催化氨硼烷產氫性能測試；

圖b) 不同溫度下，Ru@HPCS生成氫氣的時間；

圖c) Ru@HPCS的Arrhenius曲線和不同溫度下的TOF值；

圖d) 室溫下Ru@HPCS的穩定性測試。

Ru@HPCS在氨硼烷產氫中同樣表現出優異的催化活性（在298 K.，turn over frequency (TOF) = 706 min^?1），且表現出優異的循環穩定性。

圖5：Ru@HPCS作為統一催化劑催化電解水產氫和氨硼烷產氫

圖a-f) 氨硼烷產氫后以及6次交替循環后Ru@HPCS在全pH下電解水產氫性能；

圖g) 電解水產氫后以及6次交替循環后Ru@HPCS氨硼烷產氫性能；

圖h) Ru@HPCS作為統一催化劑催化電解水產氫和氨硼烷產氫的示意圖。

由于優異的催化活性和穩定性，Ru@HPCS可以反復交替循環用于電催化產氫和氨硼烷產氫。作者定義一次電解水產氫和一次氨硼烷產氫作為一個循環，經過六次循環后，Ru@HPCS催化劑依然具有較高的活性。實現了一種催化劑交替循環催化電解水產氫和氨硼烷水解制氫，成功制備了統一的高效產氫催化劑。

?【小結】

綜上所述，通過具有獨特結構和性質的空心籠狀碳球與RuCl₃低溫水熱得到的Ru@HPCS有著優異的催化性能。產氫性能測試表明該復合材料不僅在全pH條件下表現出優異的HER性能，并且在氨硼烷產氫中表現出優異的催化活性。由于該催化劑在兩種反應中均有著較強的穩定性，使得該催化劑可以反復交替循環用于電催化產氫和氨硼烷產氫。該研究第一次通過使用相同的催化劑統一催化電解水和氨硼烷水解制氫,從而同時促進兩個重要的制氫領域,毫無疑問將大大推動氫能發展。

文獻鏈接：Unified Catalyst for Efficient and Stable Hydrogen Production by Both the Electrolysis of Water and the Hydrolysis of Ammonia Borane，Yuan Liu, Xue Yong, Zhongyi Liu, Zhimin Chen, Zhenhui Kang, & Siyu Lu，Advanced Sustainable Systems, 2018, DOI:?10.1002/adsu.201800161

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adsu.201800161

本文由鄭州大學盧思宇老師供稿，材料人編輯部編輯

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