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原位科技焦耳加熱裝置助力中國(guó)海洋大學(xué)孟祥超科研團(tuán)隊(duì)JMCA+ACB研究成果

發(fā)布日期：2023-07-20 閱讀量：1185

　　近日，中國(guó)海洋大學(xué)孟祥超教授科研團(tuán)隊(duì)在JMCA和ACB期刊分別發(fā)表了題為“Rapid synthesis of efficient Mo-based electrocatalyst for the hydrogen evolution reaction in alkaline seawater with 11.28% solar-to-hydrogen efficiency”和“Joule heating synthesis of well lattice-matched Co2Mo3O8/MoO2 heterointerfaces with greatly improved hydrogen evolution reaction in alkaline seawater electrolysis with 12.4 % STH efficiency”的研究成果。

　　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(kāi)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(guò)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(shí)且耗能的缺點(diǎn)。并且面臨著長(zhǎng)時(shí)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(guò)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(jiǎn)介
　　基于此，中國(guó)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/MoOx表現(xiàn)出了極佳的HER性能，僅需15 mV 的過(guò)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(jià)態(tài)的變化以及快速加熱產(chǎn)生的缺陷。同時(shí)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(kāi)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(shí)節(jié)能
　　通過(guò)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(shí)，超短的處理時(shí)間不僅使合成過(guò)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/MoOx的形貌分析
　　MoNi4/MoOx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(shí)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(guò)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(shí)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(shí)穩(wěn)定性測(cè)試無(wú)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?；诖呋瘎﹥?yōu)越的析氫性能，本研究將MoNi4/MoOx//RuO2電解槽與自制太陽(yáng)能電池串聯(lián)，組裝為太陽(yáng)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。

　　ACB:焦耳熱合成晶格匹配良好的Co2Mo3O8/ MoO2異質(zhì)界面，極大改善堿性海水電解析氫
　　第一作者：孫建鵬
　　通訊作者：孟祥超
　　原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2023.123015
　　全文速覽
　　在此，我們通過(guò)快速焦耳加熱方法，僅用130秒就成功在泡沫鎳上制備了晶格匹配良好的Co2Mo3O8/MoO2異質(zhì)界面。值得注意的是，快速焦耳加熱可以有效避免長(zhǎng)時(shí)間加熱引起的催化劑氧化，并獲得豐富不配位Mo4+位點(diǎn)，這有助于提高HER的電催化性能。制備的Co2Mo3O8/MoO2具有與Pt基電催化劑相當(dāng)?shù)腍ER活性（在10 mA cm?2下為23 mV）。同時(shí)樣品在200小時(shí)的測(cè)試中也顯示出在堿性海水電解中優(yōu)異的穩(wěn)定性。值得注意的是，太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的H2O-H2電解槽還顯示出12.4%的太陽(yáng)能-氫氣（STH）效率。國(guó)產(chǎn)陰離子交換膜（AEM）海水電解槽的池電壓在50°C下200 mA·cm?2時(shí)僅為2.13 V，生產(chǎn)1 m3 H2僅需4.7 kW-h。DFT計(jì)算表明，電子自發(fā)分布在Co2Mo3O8/MoO2異質(zhì)界面的Co–O–Mo鍵上，可以調(diào)節(jié)Mo位點(diǎn)的電子結(jié)構(gòu)和d帶中心，從而實(shí)現(xiàn)H2O在Mo位點(diǎn)的高效吸附和O位點(diǎn)接近零的氫吸附自由能。這項(xiàng)研究提供了一種通過(guò)焦耳熱調(diào)節(jié)化學(xué)態(tài)的新策略，以高效分解海水釋放H2。
　　背景介紹
　　電催化海水分解作為一種有效的氫氣生產(chǎn)方法，被認(rèn)為是解決淡水短缺危機(jī)和滿足未來(lái)全球能源需求的一種很有前途的替代方案。二氧化鉬（MoO2）作為HER電催化劑，以其良好的導(dǎo)電性、耐腐蝕性而日益受到人們的關(guān)注。然而，由于暴露不足和活性位點(diǎn)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)差，MoO2的電催化活性需要進(jìn)一步提高才能得到廣泛應(yīng)用。通常，MoO2的電催化活性由水的吸附和氫從表面Mo位點(diǎn)或O位點(diǎn)的解吸決定。界面工程作為一種有效的方法，可以直接調(diào)節(jié)界面上的Mo-O鍵，然后調(diào)整結(jié)合能，從而加速H2的產(chǎn)生。
　　近年來(lái)，焦耳熱效應(yīng)被應(yīng)用于快速合成新材料，材料可以在超高溫（＞2000?K）短時(shí)間內(nèi)（≈12?ms）快速合成，并避免在長(zhǎng)時(shí)間加熱過(guò)程中活性位點(diǎn)的堆積。同時(shí)，快速冷卻也容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)畸變和晶格應(yīng)變，從而提供豐富的不配位催化位點(diǎn)。因此，快速焦耳加熱有望彌補(bǔ)傳統(tǒng)加熱過(guò)程中催化劑界面上活性位點(diǎn)的氧化、聚集和失活問(wèn)題，并可能實(shí)現(xiàn)豐富的不配位Mo位點(diǎn)。然而，尚未對(duì)焦耳加熱效應(yīng)進(jìn)行相關(guān)研究來(lái)設(shè)計(jì)和合成MoO2基電催化劑。此外，泡沫鎳（NF）和泡沫銅（CF）的使用可以有效地避免粉末催化劑容易脫落的問(wèn)題。三維（3D）形態(tài)、空穴結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電基底可以提高比表面積，加速電子轉(zhuǎn)移，增加活性位點(diǎn)，有利于H2的釋放。
　　研究目標(biāo)
　　在這里，我們通過(guò)快速焦耳加熱構(gòu)建了一種新型的在泡沫鎳上晶格匹配良好的富含非配位Mo4+位點(diǎn)的Co2Mo3O8/MoO2/NF電催化劑。在焦耳加熱過(guò)程中，Co2Mo3O8/MoO2/NF暴露出豐富的Co2Mo3O8和MoO2相容界面和晶格位錯(cuò)，這可以導(dǎo)致異質(zhì)界面上的電子重排，增強(qiáng)界面上的Mo-O鍵，從而優(yōu)化活性位點(diǎn)的活性。結(jié)果表明，Co2Mo3O8/MoO2/NF在海水裂解和陰離子交換膜（AEM）海水電解槽中表現(xiàn)出優(yōu)異的HER活性和穩(wěn)定性。最后，通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論研究，探討了制備樣品的機(jī)理。
　　總結(jié)與展望
　　總之，通過(guò)快速焦耳加熱和氫還原方法在泡沫鎳基底上制備了晶格匹配良好的Co2Mo3O8/MoO2異質(zhì)界面。高溫快速處理促進(jìn)了晶格匹配的Co2Mo3O8/MoO2/NF的形成，增強(qiáng)了豐富的非配位Mo4+位點(diǎn)，調(diào)節(jié)了O原子的電子結(jié)構(gòu)。電化學(xué)測(cè)量表明，Co2Mo3O8/MoO2/NF提供了較低的過(guò)電位。
　　通訊作者簡(jiǎn)介
　　孟祥超教授：中國(guó)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(guó)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(guó)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(jì)及開(kāi)發(fā)。在光電催化領(lǐng)域發(fā)表學(xué)術(shù)論文60余篇。
　　孟祥超教授科研團(tuán)隊(duì)這兩次科研成果提到的快速焦耳加熱方法所用的儀器為合肥原位科技有限公司研發(fā)的焦耳加熱裝置。

（0~10S）達(dá)到極高的溫度（1000~3000 ℃）

　　焦耳加熱裝置目前廣泛應(yīng)用在電池、催化、陶瓷、金屬材料等領(lǐng)域，可通過(guò)極速升降溫制備納米尺度顆粒、單原子催化劑、高熵合金等；裝置可定制電氣環(huán)境及真空系統(tǒng)。配件包含：控制柜、真空腔、電極、真空泵、高溫樣品臺(tái)、測(cè)溫探頭、適配線纜。