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青島科技大學王磊/賴建平教授團隊EcoEnergy:通過氮化硼作為載體富集H2O促進非過濾海水析氫
信息來源:本站 | 發(fā)布日期: 2024-03-11 10:59:35 | 瀏覽量:196475
原位拉曼和理論計算相結合顯示h-BN 促進水的吸附和富集;h-BN作為載體負載金屬可用于防腐蝕和防止污垢的形成。研究背景H2作為一種能源密度高的清潔能源,被廣泛視為可再生能源的替代品,以應對緊迫的環(huán)境危機和化石能源供應的短缺。淡水資源的短缺是工業(yè)應用中水電解的瓶…
原位拉曼和理論計算相結合顯示h-BN 促進水的吸附和富集;h-BN作為載體負載金屬可用于防腐蝕和防止污垢的形成。
研究背景
H2作為一種能源密度高的清潔能源,被廣泛視為可再生能源的替代品,以應對緊迫的環(huán)境危機和化石能源供應的短缺。淡水資源的短缺是工業(yè)應用中水電解的瓶頸,由于海水幾乎是無限的資源,海水直接電解是取代淡水大規(guī)模生產氫的可持續(xù)策略。然而在天然海水中存在大量Mg2+和Ca2+,陽離子受到靜電作用將富集在陰極表面,導致不溶性沉淀(Mg(OH)2和Ca(OH)2)的形成,這會對電子轉移和活性部位覆蓋產生很大影響,同時存在Cl?引起的腐蝕問題,進而導致工業(yè)制氫過程中的催化性能嚴重降低,運行成本上升。六方氮化硼(h-BN)是迄今為止報道的最防污的材料,由于它的原子表面光滑,原子間距與水分子的大小非常匹配,后一種特性導致與水的強極性相互作用,從而導致致密的水化層。青島科技大學王磊/賴建平教授團隊報道了以六方氮化硼(h-BN)作為載體富集水促進非過濾海水析氫的電催化劑。密度泛函理論計算和相應的物理表征共同證明,h-BN作為載體負載Pt,有效地促進水吸附從而防止了陰極的腐蝕和污垢的形成,并降低了能耗,從而延長了在高電流密度下的工作穩(wěn)定性。電化學測試結果表明,Pt/h-BN與Pt/C相比,Pt/h-BN在堿性海水電解質中表現(xiàn)出最佳的HER活性,其僅需要84、228和317 mV的過電位就能達到100、500和1000 mA·cm-2的電流密度。且Pt/h-BN在500 mA cm?2的高電流密度中,可穩(wěn)定工作1000 h以上。Pt/h-BN在工業(yè)生產條件下的析氫性能優(yōu)于Pt/C,具有良好的工業(yè)應用前景。
圖文解析
圖1.(A)Pt/h-BN的TEM圖像;(B)Pt/h-BN的HR-TEM 圖像;(C)Pt/h-BN的強度分布圖;(D)Pt/h-BN的HAADF-STEM 圖像及其EDX圖譜。
采用透射電鏡(TEM)和高分辨率投射電子顯微鏡(HRTEM)分析Pt/h-BN的微觀結構。Pt顆粒均勻地分布,Pt顆粒平均粒徑為3.0±0.1 nm(圖1A), Pt晶格條紋為2.26nm(圖1B)。通過(EDS)mapping圖像觀察相應區(qū)域的元素分布(圖1D), Pt以原子形式均勻分布,B,N,Pt元素的分布進一步證實了成功制備的Pt/h-BN。
圖2.(A)Pt/h‐BN和(B)Pt/C的AFM圖像;(C)Pt/h‐BN 和(D)Pt/C粗糙度值。
通過原子力顯微鏡(AFM)分析微觀結構。相比于Pt/C(圖2B),Pt/h‐BN(圖2A)的表面相對更光滑,Pt/h‐BN的粗糙度為2.0nm(圖2C)和Pt/C的粗糙度為3.0nm(圖2D)。這意味著更光滑的表面有利于防止結垢。
圖3.(A)Pt/h‐BN, Pt/C和h‐BN在堿性海水的極化曲線;(B)電流密度為500 mA cm-2、500 mA cm-2 、1000 mA cm-2時的過電位;(C)塔菲爾斜率;(D)TOF 對比圖;(E)交換電流密度對比圖;(F)Pt/h‐BN 在500 mA cm-2 時通過計時電流測試進行長達 1000 小時的耐久性評估。
在堿性海水中分析了催化劑的析氫性能。在500 mA cm-2、500 mA cm-2 、1000 mA cm-2時Pt/h‐BN的過電位分別為84,228,317 mV,Pt/C為257,451,537 mV(圖3A,3B)。Pt/h‐BN和Pt/C的塔菲爾斜率分別為177.32,56.98 mV dec-1(圖3C)。Pt/h‐BN,Pt/C和h-BN的TOF值為3.06,0.88,0.75 s-1(圖3D)。Pt/h‐BN的交換電流密度為5.8 mA cm-2(圖3E)。在500 mA cm-2下Pt/h‐BN的穩(wěn)定性測試高達1000 h(圖3F)。這證實了Pt/h‐BN在無過濾海水具有優(yōu)良的析氫性能。
圖4. (A)和(B)Pt/h-BN和Pt/C的原位紅外光譜圖;(C)Pt/C和(D)Pt/h-BN的原位拉曼圖;(E)Pt/h-BN和(F)Pt/C在NaCl溶液中的拉曼光譜圖。
通過原位紅外和原為拉曼測試表明,相對于Pt/h-BN,Pt/C上出現(xiàn)明顯的Mg–OH鍵(~1400 nm-1)或Ca–OH鍵(~3000 nm-1)振動峰。而Pt/h‐BN沒有顯示出顯著的Mg–OH或Ca–OH特征峰(圖4A)。根據圖4B,H–O–H彎曲振動峰值位于Pt/h‐BN(1635.20 cm-1)低于波數(shù)Pt/C(1635.74 cm-1),表明Pt/h‐BN促進水分解的發(fā)生。在圖4E,F(xiàn)中,在630 cm-1處出現(xiàn)特征峰,這可能與Cl?的形成有關,并且Pt/C上的Cl?振動峰更明顯,這表明Pt負載在h‐BN后可顯著降低Cl?的吸附。這表明h-BN的存在能有效防止污垢和Cl?的形成。
圖5.(A)AEM電解槽原理圖;(B)AEM電解槽裝置照片;(C)AEM電解槽中Pt/h‐BN||Pt/h‐BN和Pt/C||RuO2的極化曲線;(D) Pt/h‐BN 在1 A cm-2時通過計時電流測試的耐久性評估。
在實際AEM電解槽中,Pt/h‐BN的HER活性高于商用Pt/C,Pt/h‐BN在1 A cm-2下過電位為3.34V(圖5C),在實際應用中,催化劑的穩(wěn)定性可以發(fā)揮更大的作用。在100 h電化學測試,電池電壓沒有波動顯著(圖5D)。這表明催化劑在AEM電解槽中也具有優(yōu)異的穩(wěn)定性。
總結與展望
本文章證明了由于h-BN作為載體可以有效吸收H2O,減少Cl-的吸收和不溶性沉淀的形成,從而實現(xiàn)耐腐蝕和防污,并減少在堿性海水中高電流密度下的能量消耗。此外,在一個AEM電解槽,Pt/h-BN具有優(yōu)異的氫氣工業(yè)生產條件下的進化性能具有良好的工業(yè)應用前景。這種反應物富集吸附的策略也可用于其他復雜的催化環(huán)境。
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