近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所太陽能研究部太陽能制儲氫材料與催化研究組(DNL1621組)章福祥研究員團隊在非貴金屬基材料高效穩(wěn)定分解水制氫研究中取得新進展。團隊基于電催化機械穩(wěn)定性、材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、電催化穩(wěn)定性等方面的全盤考慮，提出了“一體化設(shè)計(All-for-one Design)”的電極設(shè)計合成新思路，開發(fā)出可在工業(yè)級大電流密度(500 mA cm?2)下穩(wěn)定運行超過1000小時的非貴金屬磷化鈷基陽極催化劑，為低成本、大規(guī)模電解水制綠氫提供了新思路。
 

　　電解水制氫是利用可再生能源(如太陽能、風(fēng)能)生產(chǎn)綠氫的核心技術(shù)，對于構(gòu)建未來清潔能源體系、實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)具有重要意義。然而，電解水過程中的陽極析氧反應(yīng)(OER)動力學(xué)遲緩，是整個過程的瓶頸，通常需要依賴昂貴稀有的貴金屬(如銥、釕)催化劑。開發(fā)廉價、高效且穩(wěn)定的非貴金屬催化劑是該領(lǐng)域亟待攻克的關(guān)鍵難題。盡管過渡金屬磷化物(TMPs)等非貴金屬催化劑展現(xiàn)出替代潛力，但它們在工業(yè)生產(chǎn)所要求的大電流密度下，普遍存在活性衰減快、易從電極上剝落等穩(wěn)定性問題，難以滿足商業(yè)化應(yīng)用的要求。
 

　　在本工作中，團隊從催化劑的物理穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性出發(fā)，系統(tǒng)性地提出了一體化設(shè)計策略，將影響催化劑性能的多個關(guān)鍵參數(shù)——從宏觀的電極結(jié)構(gòu)到微觀的原子排布，進行協(xié)同優(yōu)化，最終多管齊下，解決了電解水催化劑過電位高，大電流運行條件下容易脫落、失活等穩(wěn)定性低的難題。
 

　　為從根本上解決催化劑在劇烈析氧過程中物理剝落的問題，研究團隊采用了準(zhǔn)原位生長方法，將催化劑粉末與導(dǎo)電基底(泡沫鎳)一同置于反應(yīng)釜中，通過溶劑熱處理，使催化劑在基底表面“生根發(fā)芽”，形成牢固的結(jié)合，增強了電極的機械穩(wěn)定性。在催化劑的微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計上，團隊構(gòu)筑了具有二維納米片形態(tài)的磷化鈷(CoP)，為反應(yīng)提供了大量的活性位點，同時構(gòu)建了高效的電子傳輸高速通道，確保了電流能夠順暢地在催化劑內(nèi)外流通，避免了因電荷擁堵而導(dǎo)致的局部過熱和結(jié)構(gòu)損壞。進一步，團隊在原子尺度上精確調(diào)控磷化過程，形成了CoP和Co?P兩種晶相共存的多晶異質(zhì)結(jié)構(gòu)，并在其中引入了微量的硫原子進行摻雜改性。異質(zhì)界面的形成與硫原子的引入有效調(diào)節(jié)了鈷活性中心的電子云分布，優(yōu)化了其與反應(yīng)中間體的結(jié)合能，從而提升了催化劑的本征活性。
 

　　得益于上述一體化的協(xié)同設(shè)計，團隊制備的Co?P-HS陽極催化劑展現(xiàn)出高穩(wěn)定性，在500 mA cm?2的工業(yè)級電流密度下，連續(xù)穩(wěn)定運行超過1000小時，且性能無明顯衰減。團隊將該陽極與自制的鎳鉬氧化物陰極組裝成全電解池，并與商業(yè)太陽能電池集成，構(gòu)建了光伏-電解水(PV-EC)一體化器件。該器件實現(xiàn)了27.10%的太陽能到氫能轉(zhuǎn)化效率，并穩(wěn)定運行超過500小時，展示了其在未來可再生能源制氫領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。該研究提出的一體化設(shè)計理念，系統(tǒng)整合了從宏觀到微觀的多尺度優(yōu)化策略，為開發(fā)面向工業(yè)應(yīng)用的高效穩(wěn)定電催化劑提供了新思路。
 

　　相關(guān)研究成果以“All-for-one design of cobalt phosphide anode for robust water oxidation and solar-to-chemical conversion”為題，于近日發(fā)表在《能源化學(xué)》(Journal of Energy Chemistry)上。該工作的共同第一作者為我所Rashid Mehmood博士、范文俊副研究員和杜仕文博士。上述工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金等項目的資助。