寧波材料所在質(zhì)子交換膜電解水機(jī)理研究方面取得重要進(jìn)展

　　【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】氫能被視為推動(dòng)可再生能源發(fā)電規(guī)模化的最佳能源載體，而電解水制氫則是實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)的重要途徑之一。在眾多電解水制氫技術(shù)中，質(zhì)子交換膜電解水技術(shù)(Proton Exchange Membrane，PEM)具有裝置緊湊(≤0.3 m2)、電流密度大(>1 A cm-2)、產(chǎn)氫純度高(≥99.99%)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快(毫秒級(jí))等諸多優(yōu)勢。然而，PEM中陽極氧析出反應(yīng)(Oxygen Evolution Reaction，OER)存在電子轉(zhuǎn)移數(shù)多、動(dòng)力學(xué)緩慢、過電位高等問題，制約了水分解反應(yīng)的整體效率。要解決這一問題，必須從反應(yīng)機(jī)理層面出發(fā)，基于OER反應(yīng)的本質(zhì)，合理設(shè)計(jì)催化劑材料結(jié)構(gòu)。
 

　　然而，普遍接受的吸附中間體演化機(jī)制(Absorbate Evolution Mechanism，AEM)和晶格氧參與機(jī)制(Lattice Oxygen Mechanism，LOM)難以同時(shí)兼顧活性和穩(wěn)定性。因此，各種新型反應(yīng)路徑被不斷提出，以期進(jìn)一步解釋和指導(dǎo)高活性析氧催化劑的合成。在眾多新型反應(yīng)機(jī)制中，氧化路徑機(jī)制(Oxide Pathway Mechanism，OPM)是一種理想的兼顧活性和穩(wěn)定性的反應(yīng)路徑。該機(jī)制通過直接偶聯(lián)兩個(gè)鄰位的表面氧自由基生成氧分子，在抑制*OOH生成的同時(shí)，避免了氧缺陷的產(chǎn)生。然而，OPM機(jī)制中鄰位氧自由基的直接耦合(*O-*O)對(duì)催化劑雙活性位點(diǎn)的原子尺度和電子結(jié)構(gòu)提出了嚴(yán)苛要求。目前，對(duì)于OPM機(jī)制型催化劑的開發(fā)主要集中在釕基催化劑上，而已大規(guī)模商業(yè)化的銥基材料在OPM機(jī)制方面仍然停滯不前。
 

　　中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所氫能與儲(chǔ)能材料技術(shù)實(shí)驗(yàn)室王宇楠研究員、陸之毅研究員及其團(tuán)隊(duì)成員，共同合作利用堿土金屬氧化物(Sr(OH)2)作為模板及元素?fù)诫s劑，首次成功制備了銥基OPM型催化劑Sr-IrOx，即(200)晶面高度暴露的鍶摻雜IrOx(如圖1)，提升了PEM中陽極氧化反應(yīng)的效率和穩(wěn)定性。得益于IrO2(200)面上高密度可用的相鄰銥位點(diǎn)，以及鍶對(duì)Ir-O共價(jià)性的有效調(diào)控，Sr-IrOx能夠在酸性水氧化過程中促進(jìn)直接氧-氧耦合，繞過生成*OOH中間體的高能屏，實(shí)現(xiàn)在酸性環(huán)境下高效穩(wěn)定的OER。在質(zhì)子交換膜電解水器件中，Sr-IrOx在1A cm-2電流下可穩(wěn)定工作超500小時(shí)(如圖2)。Sr-IrOx電催化劑的優(yōu)異性能為未來大規(guī)模的酸性水電解制氫應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，有望推動(dòng)氫能生產(chǎn)技術(shù)的商業(yè)化進(jìn)程。
 

　　該項(xiàng)研究成果以“Strontium Doped IrOx Triggers Direct O-O Coupling to Boost Acid Water Oxidation Electrocatalysis”為題，發(fā)表在國際知名期刊Angewandte Chemie International Edition上(https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202418456)。該研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2021YFA1502200)、國家自然科學(xué)基金(22405284)、浙江省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2022C01158)、寧波市科技創(chuàng)新2025重點(diǎn)專項(xiàng)(2022Z205)、寧波市“甬江引才工程”(2021A-036-B)等項(xiàng)目的支持。
 

圖1 Sr-IrOx的合成示意圖及結(jié)構(gòu)表征
 

圖2 Sr-IrOx的電化學(xué)/器件性能及機(jī)理示意圖