近日，华中科技大学集成电路学院王春栋教授团队的最新研究成果以“Mott-Schottky Barrier Enabling High-Performance Hydrazine-Assisted Hydrogen Generation at Ampere-Level Current Densities”为题，刊发在《Advanced Functional Materials》。我院王春栋教授为论文独立通讯作者，硕士生黄娅平和科研助理张霞为论文共同第一作者，华中科技大学集成电路学院为论文第一完成单位。
莫特肖特基结型催化剂多功能示意图
氢气绿色环保，是应对目前化石燃料危机及环境污染严峻问题的有效解决能源载体。电解水制氢技术作为未来实现绿色工业制氢最有潜力的方式之一，受限于缓慢的阳极端析氧反应（Oxygen Evolution Reaction, OER）。研究发现，用理论电势较低的阳极替代反应，可以有效解决此问题。水合肼氧化反应（Hydrazine Oxidation Reaction, HzOR）作为一类牺牲剂氧化反应，理论电势低且产物无碳排放，利用工业肼废水充当反应物还可以实现水污染净化。金属有机框架材料（Metal Organic frameworks, MOFs）因其独特的结构性质，在众多催化领域具有潜在应用前景。此外，莫特-肖特基结是无损且低成本改变电催化剂电子结构的一种有效策略，考虑到将贵金属铂颗粒（Pt NPs）与半导体MOFs结合，有望实现析氢（Hydrogen Evolution Reaction, HER）和HzOR双功能催化剂的制备。
图为部分实验结果
基于此，研究者将Pt NPs与n型半导体NiFc-MOF结合，成功制备莫特-肖特基结型催化剂（记为Pt@NiFc-MOF）。实验和密度泛函理论计算表明，Pt NPs的功函数高于NiFc-MOF，异质结两相的功函数差将驱使电子由NiFc-MOF向Pt NPs转移，形成由半导体指向金属的内建电场。得益于内建电场调控电子再分布，制备的催化剂具有优异的HER/HzOR双功能特性，其组装的两电极系统（Pt@NiFc-MOF//Pt@NiFc-MOF）既能将废水中肼污染物作为阳极反应物参与辅助制氢，“变废为宝”；又能实现在安培级大电流密度下的高效产氢，“一举两得”。其次，本文制备的催化剂作为阳极端与阴极铂网（Pt Net）组装成液态直接N2H4/H2O2燃料电池时，也表现出比商业Pt/C更高的峰值功率密度和电流密度，为燃料电池电极材料领域的发展提供了一定的借鉴意义。
此项工作是王春栋团队在氢能与燃料电池领域的阶段性研究成果。团队长期从事电催化相关探索，近两年来在能源催化材料局域电子调控及燃料电池研究方面取得了系统研究成果，并获得2022年湖北省自然科学三等奖（第一完成人）。
论文地址：
Y. Huang, X. Zhang, L. Li, M. Humayun, H. Zhang, X. Xu, S.P. Anthony, Z. Chen, J. Zeng, D. V. Shtansky, K. Huo, H. Song, C. Wang*, W. Zhang, Mott-Schottky Barrier Enabling High-Performance Hydrazine-Assisted Hydrogen Generation at Ampere-Level Current Densities,Adv, Funct, Mater.2024, 2401011.
https://doi.org/10.1002/adfm.202401011
