川大Matter: 构建卫星状屏蔽双单原子催化剂，增强碱性海水电解

催化开天地 · 公众号 · · 2024-07-22 08:24

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目前，广泛研究的水电解槽，如碱性电解槽或质子交换膜电解槽，依赖于高纯度淡水作为原料，加剧了有限的淡水供应的挑战。相比之下，海水占全球水资源的96.5%，其可作为高纯度淡水的替代品。天然海水的直接电解由于其固有复杂性仍处于探索阶段，但碱性海水的直接电解被认为是大规模制氢的可行方法。然而，海水电解过程中阴极析氢反应(HER)消耗游离的H ⁺ ，导致pH值增加，残余的OH ⁻ 离子扩散到周围的海水中。这导致海水中Ca ²⁺ 和Mg ²⁺ 以不溶性氢氧化物的形式沉淀在阴极表面，覆盖了活性中心，降低了催化剂的活性。

此外，海水中大量的Cl ⁻ 可能引发阳极的析氯反应，产生腐蚀性物质，破坏催化剂的耐久性，并降低转化效率。因此，迫切需要设计具有活性、稳定性和不受有害离子影响的电催化剂来实现高效稳定电解海水制氢。

近日， 四川大学赵海波 课题组提出了一种类似于卫星的双单原子催化屏蔽策略，旨在实现特殊和持久的安培级碱性海水分解。具体而言，该设计涉及一个在氢氧化物纳米片(Ru/Mn-NiFe LDH)上的Mn和Ru双单原子体系。Mn单原子起着类似于月球的关键作用，有效地屏蔽了Ru单原子(类似于地球)，从而为高效的海水电解创造了一个安全的环境。这种保护效应来源于卫星上的单个Mn原子，它引入了大量稳定的Lewis酸中心，这些位点强烈地结合了阴极原位产生的OH ⁻ ，阻止了附近海水pH值的上升，从而抑制了金属沉积。

此外，它们可以迅速补充OH ⁻ 以在阳极上建立一个负电荷层，可以抵抗Cl ⁻ 的攻击。这在电极附近创造了一个类似于碱性淡水的微环境，导致100%的H ₂ 和O ₂ 产率。

性能测试结果显示，Ru/Mn-NiFe LDH在碱性海水中具有优异的电催化性能，其分别仅需44 mV的HER过电位和210 mV的OER过电位即可达到100 mA cm _geo ^-2 的电流密度。基于Ru/Mn-NiFe LDH的碱性海水电解槽，仅需1.7 V的电池电压就能在室温下驱动500 mA cm _geo ^-2 的高电流密度；在6 M KOH和80 °C条件下，该电解槽达到2000 mA cm _geo ^-2 的大电流密度所需的电池电压低至1.66 V，并在650 mA cm _geo ^-2 下显示出超过252小时的耐久性。

川大Matter: 构建卫星状屏蔽双单原子催化剂，增强碱性海水电解

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