华中师范大学欧阳述昕教授团队：双功能型金属镍@碳复合催化剂助力甲醇电氧化辅助的节能制氢

第一作者：吕琳

通讯作者：欧阳述昕

通讯单位：华中师范大学化学学院

注：此论文是“电催化”专刊邀请稿，客座编辑：中国科学院理化技术研究所张铁锐研究员、湖南大学王双印教授

引用信息

吕琳, 张立阳, 何雪冰, 原弘, 欧阳述昕, 张铁锐. 双功能型嵌入镍纳米颗粒的碳棱柱状微米棒电极用于电化学甲醇氧化助力的节能产氢. 物理化学学报, 2021, 37 (7), 2007079. doi: 10.3866/PKU.WHXB202007079

Lin Lv, Liyang Zhang, Xuebing He, Hong Yuan, Shuxin Ouyang, Tierui Zhang. Energy-Efficient Hydrogen Production via Electrochemical Methanol Oxidation Using a Bifunctional Nickel Nanoparticle-Embedded Carbon Prism-Like Microrod Electrode. Acta Phys. -Chim. Sin. 2021, 37 (7), 2007079.

doi: 10.3866/PKU.WHXB202007079

主要亮点

通过简单的两步化学法合成了金属有机框架结构衍生的嵌入镍纳米颗粒的碳微米棒双功能型催化剂，该催化剂不仅对甲醇电氧化具有高活性和稳定性，同时对析氢反应也表现出良好的催化活性。采用这种双功能型电极装配的甲醇全电解两电极电解槽的驱动电压与常规全水解电解槽相比显著降低。

研究背景：意义、现状

工业革命以来，化石燃料的持续性消耗触发了诸多环境污染和气候问题，导致可再生能源和环境友好型的能源形式的需求急剧加大。氢能由于能量密度高、清洁无污染，被认为是可替代传统化石燃料的能源形式之一。电化学水分解是制氢的最简单高效方法之一，其中阳极析氧反应由于四电子过程导致析氧过电位过高，严重制约了水分解制氢效率。因此，本文采用具有热力学优势的甲醇电氧化反应替换常规析氧反应以大幅度降低阳极反应过电势；通过水热法、高温退火处理制备了金属有机框架结构衍生的嵌入镍纳米颗粒的碳微米棒双功能型催化剂，该催化剂同时表现出甲醇电氧化和析氢反应活性，采用该催化剂装配的甲醇全电解双电极电解槽驱动电压（电流密度为10 mA∙cm⁻²）比常规全水解电压降低了240 mV。

核心内容

1  材料表征

作者通过两步法制备了嵌入镍纳米颗粒的碳微米棒复合结构，界面结构的形成促使局域电荷从金属颗粒转移到碳骨架，在电化学氧化反应中这有利于平衡不同反应中间体在催化剂表面的吸附强度；而且，金属镍颗粒失去电子产生的氧化态镍同时可作为析氢反应活性位点，促进了析氢反应动力学过程。

图1  (a) XRD图；(b-c) SEM图；(d-f) TEM图

2 甲醇电氧化性能测试

作者通过调节甲醇浓度得到最优化的甲醇浓度下的极化曲线，同时与前躯体和单纯碳材料性能对比，发现Ni@C的甲醇电氧化性能表现出显著优势，塔菲尔斜率也明显降低，表现出该催化剂在甲醇氧化反应过程中的快速传质过程和优异的本征催化活性。双电层电容测试和交流阻抗图表明该复合催化剂具有较大的电化学活性比表面积和较小的电荷转移阻抗。长时间的计时电位测试表明该催化剂具有优异的稳定性，具备了工业应用潜力。通过气相和核磁检测电氧化产物，结果显示该催化剂进行的甲醇电氧化反应产物中36.2%为CO₂，而甲酸则超过了60%，证实了通过该催化剂可以制备更高价值的甲酸下游产品。

图2 （a）不同甲醇浓度电解液下的极化曲线；（b）不同催化剂的极化曲线；（c）塔菲尔斜率图；（d）不同扫速下催化剂的极化曲线；（e）电容电流密度与扫描速率关系图；（f）交流阻抗图；（g）计时电位测试；（h）稳定性测试前后的循环伏安图对比

3 双电极电化学性能测试

通过两电极体系的极化曲线测试，结果显示将阳极析氧反应替换为甲醇氧化反应后，由Ni@C//Ni@C电极对配置的两电极性能显著提升，在电流密度为10 mA∙cm⁻²时，驱动电压降低了240 mV。进一步地，作者通过计时电位法测试证明该Ni@C//Ni@C电极对配置的两电极体系有部分衰减，即便如此，该电解体系仍然具备了优异的催化活性和良好的稳定性。

图3 （a）不同两极反应配置的两电极极化曲线测试；（b）不同反应配置的全电解驱动电压对比；（c）甲醇氧化和析氢反应配置的两电极体系计时电位测试；（d）甲醇氧化和析氢反应配置两电极体系图示

结论与展望

金属@碳复合催化剂间界面电荷转移与催化活性之间有着紧密联系，该工作为通过简单化学法构筑金属@碳复合结构双功能催化剂提供了有益借鉴。通过优化了的阳极替换反应大幅度地降低了两电极体系驱动电压，不仅对于节能混合型电解系统的合理设计有着重要意义，而且对电催化制氢的工业化应用也提供了一定的实践基础。

☎作者介绍

 欧阳述昕 

1981年12月生，2009年于南京大学获得材料学博士学位。华中师范大学化学学院教授、博导，曾入选天津市“海外高层次引进人才”、天津大学“北洋青年学者”及华中师范大学首批“桂子学者”。主要从事光催化、光热催化、电催化及其光伏耦合系统方面的研究。

相关拓展

原文链接（点击左下角“阅读原文”即可访问）：

http://www.whxb.pku.edu.cn/CN/10.3866/PKU.WHXB202007079