Energist 能源学人 2020.6.15

近年来受传统能源危机和环境污染等问题的影响，氢能作为一种可持续且环境友好的新型能源，受到了广泛关注。电化学水分解可在无碳排放的情况下生产高质量的氢气，为人们提供了一种具有广泛应用前景且高效的产氢方法。但电解水制氢也存在一些限制其规模化发展的瓶颈，如缺乏高效的电催化剂以降低制氢能耗。为了进一步提高水解反应动力学并实现大规模工业化，研发具有高性能和低成本的非贵金属双功能电催化剂至关重要。过渡金属磷化物（TMPs）作为一类间隙化合物，具有高的导电性、电催化活性及电化学稳定性，近年来认因为是替代Pt等贵金属催化剂的首选。Ru作为Pt族的一员，具有类Pt的析氢活性和高于Pt的析氧活性，而且其价格仅为Pt的4%，具有非常广阔的应用前景。因此用低载量的Ru去进一步提高磷化物的HER,OER双活性并将其应用于全水解制氢是解决电解水瓶颈问题的值得期待的方法。此外，考虑到太阳能的丰富性，建立以低Ru负载的过渡金属磷化物为催化剂的太阳能制氢系统无疑是电解水制氢技术的最佳选择。

【工作介绍】

近日，武汉理工大学木士春课题组等人利用类普鲁士蓝（PBA）为前驱体通过先水热载钌再低温固相磷化的方法获得了Ru掺杂的过渡金属磷化物Ru-MnFeP/NF双功能催化剂。并且通过XRD, XPS, SEM, STEM等表征手段对催化剂的物相和结构进行了研究。电化学测试结果表明，这种由PBA衍生而来的独特的纳米片花结构拥有很高的本征活性和丰富的活性位点，在碱性条件下展现了优异的HER和OER活性与稳定性。基于此, 当将其组装为两电极电解槽时，可拥有很低的全解水电压。最后，他们将该全水解装置与太阳能电池联用，成功构建和演示了太阳能制氢系统。该文章发表在国际顶级能源期刊Advanced Energy Materials上。硕士生陈钉为本文第一作者。

【内容表述】

为了实现高效电解水制氢，催化剂材料尤为关键。其不仅需要满足高活性、高稳定性的性能需求，同时也需要满足低成本、来源广泛和易于合成的实际要求。本文设计的HER、OER双功能电催化剂Ru-MnFeP/NF集合了PBA的结构优势和磷化物及Ru的性能优势，同时控制了成本，且易于合成。将原位生长在泡沫镍（NF）上的MnFe-PBA通过水热载钌处理和低温固相磷化处理即可获得超低Ru(1.08 wt%)负载的过渡金属磷化物Ru-MnFeP/NF。与其他对比样品如MnFeP/NF、Ru-MnFe等的比较可以发现，得益于Ru掺杂后优化的电子结构配置、独特的纳米片花结构和改善的含氢、含氧中间体的吸附过程，Ru-MnFeP/NF催化剂在1 M KOH溶液中呈现出了优异的析氢和析氧电催化活性。

电化学测试结果表明，当OER、HER电流密度分别达到20 mAcm^-2、10 mA cm^-2时Ru-MnFeP/NF所需要的过电势仅分别为191mV和35 mV。该催化剂的OER和HER活性超过了大多数的过渡金属磷化物，甚至达到了Pt的HER电催化水平。此外，组装的全水解装置在10 mA cm^-2的电流密度下以极低的电压（1.470 V）实现了水的全分解。最后，为了解决电解水制氢技术中电力来源问题，进一步将该全水解装置与太阳能电池联用，构建了太阳能制氢系统，使Ru-MnFeP/NF催化剂的规模化应用成为了可能。

Ding Chen, Zonghua Pu, Ruihu Lu, Pengxia Ji, Pengyan Wang, Jiawei Zhu, Can Lin, Hai‐Wen Li, Xiangang Zhou, Zhiyi Hu, Fanjie Xia, Jingsong Wu, Shichun Mu, Ultralow Ru Loading Transition Metal Phosphides as High‐Efficient Bifunctional Electrocatalyst for a Solar‐to‐Hydrogen Generation System, Adv. Energy Mater., 2020, DOI: 10.1002/aenm.202000814

作者简介：

木士春，武汉理工大学首席教授。长期致力于碳基纳米材料、质子交换膜燃电池和电解水催化剂的应用基础研究。目前，以第一作者或通讯作者在Adv Mater、J Am Chem Soc、Angew Chem Int Ed、Energ Environ Sci、Adv Energy Mater、Adv Funct Mater、ACS Nano、Nano Energy、ACS Catal、ACS Energy Lett等国内外权威期刊上发表200余篇高质量SCI学术论文。以第一发明人申请国家发明专利97件，其中授权73件。