2023年7月6日，《Advanced Functional Materials》在线刊发了我院王春栋教授关于工业级电流密度电解海水耐氯析氢的最新研究成果“Unlocking the Catalytic Potential of Platinum Single Atoms for Industry-Level Current Density Chlorine Tolerance Hydrogen Generation”。我院王春栋教授为唯一通讯作者，我院毕业生孙华传博士（现云南大学讲师）和台湾长庚大学陈効谦博士为共同一作，华中科技大学集成电路学院/武汉光电国家研究中心为论文第一完成单位。
图1. 泡沫镍负载Pt-SA/NiV-LD催化剂的电催化析氢机理示意图
为促进我国“双碳”目标的实现，研究和开发高效稳定且对环境友好的清洁能源替代化石能源迫在眉睫。氢气因能量密度大、燃烧热值高且产物无污染，被认为是最有潜力的绿色能源之一。利用间歇性能源(如风能、太阳能)获得的电能来驱动电解纯水制氢是一种高效的“绿氢”生产途径，能有效避免传统蒸汽重整制氢过程中甲烷释放造成的温室气体排放。然而，淡水资源的有限性终将限制水电解制氢的可持续发展。相反，地球上96.5%的水资源是海水。因此，利用海水电解制氢不但可以保护淡水资源，还能推动全球能源去碳化。遗憾的是，与广泛采用的碱性淡水电解制氢策略相比，海水成分复杂、电解过程中不溶性沉淀物的形成以及氯离子的存在导致电催化剂的效率差、稳定性低，使得直接海水电解制氢技术进展相对缓慢。高电流密度、低能耗的碱性海水电解能有效解决这一瓶颈问题，但海水持续电解制氢会使电解液中的Cl-不断积累，从而导致催化剂中毒、腐蚀和降解，严重影响催化剂的活性和稳定性。基于此，研究和开发性能优异且能在工业级电流密度下高效电解海水制氢催化剂势在必行。
图2. Pt-SA/NiV-LDH催化剂及其对比样在工业级电流密度下的碱性HER催化性能和AEM全电解水催化性能
为此，研究团队研究通过大量实验和理论模拟证明，将铂（Pt）单原子固定在具有优化配位环境和电子结构的适当载体上是解决海水电解过程中氯腐蚀问题的关键。基于此，该研究首次采用超亲水的自支撑镍钒层状双氢氧化物（NiV-LDH）固定Pt 单原子以获得高效稳定自支撑型单原子Pt-SA/NiV-LDH催化剂用于海水电解制氢。得益于催化剂微观配位环境的改性、原子级分散的 Pt 和超薄 NiV LDH 载体之间的强协同电子相互作用，以及自支撑Pt-SA/NiV-LDH催化剂的超亲水和超疏气特性，使得电解水反应中间体如*H2O、*OH 和 *H 的吸附/解离特性得到优化，传质过程加快，Ca、Mg等氢氧化物的沉积减缓，相应的催化性能得到大幅提升。在碱性HER过程中，Pt-SA/NiV-LDH电极在同等条件下的质量活性是商业Pt/C的30.98倍。而在1 M KOH和不同浓度NaCl的混合电解质溶液中，Pt-SA/NiV-LDH表现出优异的催化活性和稳定性，这表明其具有较好的耐氯特性。此外，Pt-SA/NiV-LDH在碱性海水电解HER过程中，分别仅需130和215 mV的过电位即可获得1000和2000 mA cm−2 的工业级电流密度，且在500 mA cm−2下稳定催化产氢超500小时。这项工作为海水电解生产可持续绿色氢气提供重要参考。
图3. 理论计算及机理分析
此项工作是王春栋教授团队在绿氢开发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态调控及自旋催化方面取得了系统研究成果（Adv. Mater. 2024, 2400523; Adv. Funct. Mater. 2024, 2401011; Adv. Funct. Mater. 2024, 2408823; Adv. Funct. Mater. 2024, 2408872; Adv. Funct. Mater. 2023, 2303986; ACS Nano, 2024, 18, 1, 1214-1225; ACS Nano, 2023, 17, 11, 10906–10917; Chem Catalysis, 2024, 100840; Coord. Chem. Rev., 2023, 488, 215189; Sci. Bull, 2022, 67, 1763; Research, 2022, 9837109; J. Am. Chem. Soc., 2022, 144, 3, 1174-1186. (cover page)。
文章连接
Unlocking the Catalytic Potential of Platinum Single Atoms for Industry-Level Current Density Chlorine Tolerance Hydrogen Generation
https://doi.org/10.1002/adfm.202408872
