應(yīng)用成果

應(yīng)用成果

焦耳加熱裝置助力中國海洋大學(xué)孟祥超科研團(tuán)隊(duì)JMCA:焦耳熱快速加熱制備高效Mo基電催化劑用于電催化裂解海水產(chǎn)氫！

發(fā)布日期：2023-10-23 閱讀量：947

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文章信息

JMCA:焦耳熱快速加熱制備高效Mo基電催化劑用于電催化裂解海水產(chǎn)氫

第一作者：趙展

通訊作者：孟祥超

原文鏈接：https://doi.org/10.1039/D3TA01522J

研究背景

環(huán)境污染和能源短缺危機(jī)促使人們開始關(guān)注可再生氫能源(H₂)的研究。電化學(xué)海水裂解制氫已成為最有前途的制氫策略之一，以地球上豐富的W、Fe、Co、Ni、Mo等過渡金屬合理構(gòu)建電催化劑成為研究前沿。然而這些催化材料通常是由傳統(tǒng)的熱解法所制備，具有低效耗時且耗能的缺點(diǎn)。并且面臨著長時間加熱所導(dǎo)致的氧化，團(tuán)聚等負(fù)面影響。本文利用焦耳熱快速加熱制備出高性能析氫催化材料，通過60秒的加熱即可完成MoNi合金/氧化鉬復(fù)合材料的制備，可以有效地催化堿性海水介質(zhì)中的析氫反應(yīng)(HER)。

文章簡介

基于此，中國海洋大學(xué)的孟祥超教授團(tuán)隊(duì)利用焦耳熱快速加熱合成的MoNi₄/MoO_x表現(xiàn)出了極佳的HER性能，僅需15 mV 的過電位即可達(dá)到 10 mA·cm^-2 的電流密度，甚至在高電位下（1 A·cm^-2）僅需227 mV，優(yōu)于傳統(tǒng)煅燒法合成的催化劑。這歸因于快速加熱所引起的催化劑形貌，Mo元素價態(tài)的變化以及快速加熱產(chǎn)生的缺陷。同時超快的加熱方法節(jié)省了大量的能源，加快了催化劑的制備速度。本文成果突出了焦耳熱快速加熱在開發(fā)用于電化學(xué)能源領(lǐng)域催化劑方面的獨(dú)特潛力。

本文要點(diǎn)

要點(diǎn)一：快速加熱節(jié)時節(jié)能

通過快速的焦耳熱加熱方法，可以實(shí)現(xiàn)在室溫下以67℃/s的升溫速率瞬間達(dá)到目標(biāo)反應(yīng)溫度。同時，超短的處理時間不僅使合成過程更加高效，也意味著更低的能耗，僅為傳統(tǒng)煅燒方法的0.12%。

要點(diǎn)二：MoNi₄/MoO_x的形貌分析

MoNi₄/MoO_x展現(xiàn)出密集的棒狀納米棒結(jié)構(gòu)，盡管與傳統(tǒng)加熱合成的催化劑形態(tài)相似，但生成的MoNi₄納米顆粒較小，平均直徑達(dá)到了46納米。同時展現(xiàn)出了更大的比表面積。因此更有利于電解質(zhì)的擴(kuò)散以及提供更多的電化學(xué)活性位點(diǎn)。

要點(diǎn)三：電催化裂解海水產(chǎn)氫

焦耳熱快速加熱合成的催化劑僅需15 mV 的過電位即可達(dá)到 10 mA·cm^-2 的電流密度，甚至在高電位下（1 A·cm^-2）僅需227 mV，優(yōu)于傳統(tǒng)煅燒法合成的催化劑以及商業(yè)鉑碳。同時該催化劑也表現(xiàn)出了優(yōu)異電化學(xué)性能以及穩(wěn)定性（1000小時穩(wěn)定性測試無明顯衰減）。并且構(gòu)成的堿性海水電解槽（AEM）也具有優(yōu)異的活性。基于催化劑優(yōu)越的析氫性能，本研究將MoNi₄/MoO_x//RuO₂電解槽與自制太陽能電池串聯(lián)，組裝為太陽能輔助堿性海水制氫裝置。組裝裝置產(chǎn)生了高達(dá)11.28%的STH效率，優(yōu)于商業(yè)鉑碳以及氧化釕的組合，為零耗能產(chǎn)氫提供參考與借鑒。

通訊作者簡介：

孟祥超教授：中國海洋大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師。本科畢業(yè)于中國海洋大學(xué)，碩士和博士畢業(yè)于加拿大渥太華大學(xué)。之后，作為兼職助理教授在加拿大渥太華大學(xué)任教，以博士后的身份在加拿大滑鐵盧大學(xué)從事研究工作。2019年全職加入中國海洋大學(xué)。主要研究方向：光電催化裂解海水制氫；光催化/電催化CO2還原、固氮及新型光電催化反應(yīng)器設(shè)計及開發(fā)。在光電催化領(lǐng)域發(fā)表學(xué)術(shù)論文60余篇。