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時間:2019-10-25浏覽:1879

氫氣是一種能量密度高、清潔無汙染的可再生能源。相比于傳統的“甲烷水蒸氣重整”,質子交換膜水電解池(PEMWE)因其轉化效率高、氫氣純度高、無汙染等優點被認爲最具發展潛力的一種制氫技術。然而,陽極析氧反應由于其緩慢的動力學速率以及催化劑在酸性環境下的不穩定性,成爲制約PEMWE廣泛應用的瓶頸,亟需設計高效穩定的酸性析氧電催化劑來提升PEMWE的效率。

在實際電催化反應中,催化劑活性位的原子和電子結構可能會發生可逆的自我調整和優化,這些結構變化往往是影響催化劑穩定性的關鍵所在,然而通過非原位表征技術來捕捉這些關鍵中間態的結構信息存在很大的困難。因此,如何在工作條件下實時監測催化劑的活性位原子和電子的動態變化過程已成爲目前催化劑理性設計的前提和挑戰。

針對這些關鍵性科學問題,國家同步輻射實驗室姚濤教授課題組與化學與材料科學學院楊金龍教授課題組合作,發展原位同步輻射吸收譜和紅外技術,並結合理論計算,首次精確探測到钌基單原子催化劑在酸性電化學析氧反應過程中的催化活性位點的動態變化過程,並依此設計出高活性和高穩定性的酸性OER催化劑,研究成果20191024日以Dynamic oxygen adsorption on single-atomic Ruthenium catalyst with high performance for acidic oxygen evolution reaction”爲題,在線發表于《自然·通訊》雜志Nature Communications DOI:10.1038/s41467-019-12886-z。中國科大博士生曹林林和特任副研究員羅其全是論文的共同第一作者。

研究團隊選取活性位點高度均一的钌基單原子催化劑作爲研究對象,該催化劑在析氧反應中達到10 mA cm-2的電流密度僅需267 mV的過電勢。同時,利用同步輻射原位X射線吸收譜和紅外譜實驗裝置,實時監測催化劑在工作條件下結構的動態演化過程。觀察到在反應電壓下該活性位點“Ru1-N4會發生動態的單氧吸附,形成關鍵的“O-Ru1-N4反應中間體。理論計算進一步證實了動態氧吸附可以有效地促進電子由Ru原子向被吸附的O原子傳遞,有效地避免對反應物種的強吸附,從而顯著降低反應所需的過電勢,促進了其催化活性的顯著提高。這項發現爲今後PEMWE實際應用開發新型高效穩定的催化劑提供了實驗基礎,也從原子尺度研究催化材料表面/界面的動態過程提供了理論指導。

該研究得到了科技部重點研發計劃、國家自然科學基金、中央高校基本科研業務費專項資金和青年創新促進會等項目的資助,也得到合肥國家同步輻射實驗室、北京和上海同步輻射光源測試機時的支持。

附文章鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-019-12886-z


(國家同步輻射實驗室、化學與材料科學學院、科研部)