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中石大绿色能源化工团队在氢能制备领域取得系列进展

来源：中国石油大学      2023-02-01
导读：近日，中国石油大学绿色能源化工团队在氢能领域电解水阳极析氧（OER）催化剂研究方面取得一系列新进展，相关研究成果发表在Advanced Materials、Applied Catalysis B: Environmental、Chemical Engineering Journal和Nano Research等国际知名化学化工及能源类期刊，中国石油大学（华东）均为唯一署名单位和通讯单位。该系列工作紧密围绕国家清洁能源转型的重大战略需求，针对规模化制绿氢阳极催化剂开发中的关键科学及技术问题开展前瞻性研究，为高效电解水制氢催化剂的设计调控、推进规模化绿氢制备技术的发展做出了积极贡献。
绿色氢能是国家“双碳”战略和“十四五”可再生能源发展规划的重要发展方向，也是山东省实施新旧动能转换、建设绿色低碳高质量发展先行区行动规划的重点发展领域。同时，中石油、中石化、中海油等大型能源公司也相继将电解水制绿氢及氢能相关应用作为未来核心储备技术。
 题为《高施加电位助力Co物种在MnO2表面稳定沉积及其酸性水氧化研究》（High Voltage Enabled Stable Cobalt Species Deposition on MnO2 for Water Oxidation in Acid）的成果发表在国际能源材料顶级期刊Advanced Materials（T0，一区TOP）上，化学化工学院2018级直博生张鑫宇为本文第一作者，董斌副教授和柴永明教授为共同通讯作者。
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质子交换膜（PEM）电解槽是最具商业化前景的可再生能源电解水产氢装置。但PEM的酸性运行环境使得铱基等贵金属仍旧是阳极（OER）催化剂的主要选择，其储量和价格，却严重阻碍了PEM电解槽应用推广。鉴于此，团队创新性提出了高施加电位与电解液调制相结合的策略，有效实现了丰富的Co物种在MnO2载体表面的沉积，表现出显著提高的酸性OER活性(提升6.9倍)和稳定性(提升46.4倍)。该工作提出的利用Pourbaix图中施加电位与活性元素稳定相的协同因素，为设计酸性介质高稳定电催化剂提供了全新视角。
题为《室温电活化构筑S掺杂NiFe氢氧化物用于高效析氢》（S-doped nickel-iron hydroxides synthesized by room-temperature electrochemical activation for efficient oxygen evolution）的成果发表在国际知名化学催化期刊Applied Catalysis B: Environmental（T0，一区TOP）上，并入选ESI热点论文和ESI高被引论文，化学化工学院2021级博士生周亚楠为本文第一作者，董斌副教授和柴永明教授为共同通讯作者。
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 NiFe氢氧化物因其优异活性、可调结构组成和碱性稳定性成为了最具潜力的过渡金属基析氧催化剂。阴离子的精准引入被证实可以调节NiFe活性位点的电荷转移，增强析氧本征活性，同时不破坏其结构稳定性。但如何实现是一个技术上的难点。团队创新性地利用室温吸附和原位电活化相结合的策略，温和地实现了S定量掺杂NiFe氢氧化物的有效构筑。所得催化剂不仅获得了S的高密度均匀掺杂，而且保持了NiFe氢氧化物的形貌结构，提升了活性，保持了高稳定性。同时，相关析氧催化机理也被系统讨论。该工作发表后获得国内外同行关注，相继入选ESI热点论文和ESI高被引论文。
题为《动态阴离子调节策略构建S掺杂FeOOH实现大电流密度高效析氧》（Dynamic Anion Regulation to Construct S-doped FeOOH Realizing 1000 mA cm-2‑Level-Current-Density Oxygen Evolution over 1000 h）的成果发表在国际知名催化期刊Applied Catalysis B: Environmental（T0，一区TOP）上，化学化工学院2018级直博生张鑫宇为本文第一作者，董斌副教授和柴永明教授为共同通讯作者。
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高效析氧电催化剂对于电解水技术的工业化推广至关重要。尽管目前在研发高性能析氧催化剂方面取得了丰硕成果，但仍然缺乏大电流(> 1000 mA cm-2)下稳定运行的析氧催化剂的相关研究。铁基（氧）氢氧化物表现出较高OER本征活性，但纯FeOOH导电性较差，速控步骤(由M-O到M-OOH)反应能垒高，性能提升受限。鉴于此，团队创新性地提出了电解液中动态阴离子调控的策略，研究了一系列阴离子对FeOOH的影响并成功实现了S对FeOOH析氧性能的规律性调控。通过对电解液中离子种类和浓度的优化，使所制备的0.01 S-FeOOH+1000/IF催化剂在1000 mA cm-2的高电流密度下表现出更高的反应活性和超长的稳定性。
 题为《定向动态平衡持续调控析氧反应电催化界面》（Directional Regulating Dynamic Equilibrium to Continuously Update Electrocatalytic Interface for Oxygen Evolution Reaction）的成果发表在国际知名化工期刊Chemical Engineering Journal（T0，一区TOP）上，并入选ESI高被引论文，化学化工学院2021级博士生范若瑶为本文第一作者，董斌副教授为通讯作者。
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 构建稳定的铁基析氧微观催化界面是非均相催化水分解制氢的关键步骤。然而，实际工业应用中，对微观析氧界面的定向、动态调控是一个很大挑战。基于此，团队发现同时利用界面的FeOOH转化平衡和Fe*吸附-溶解平衡可以有效实现析氧催化界面的动态更新和精准调控。可以通过平衡反应的定量属性，改变碱性电解质中Fe3+浓度来实现精准调控。最终，利用原位电化学活化和催化平衡的定向调控，合成了高活性、长期稳定、具有工业应用潜力的FeOOH-Ni基析氧催化剂。
题为《FeS纳米片和Co9S8颗粒耦合构筑0D-2D肖特基异质结用于工业级水氧化》（0D-2D Schottky Heterostructure Coupling of FeS Nanosheets and Co9S8 Nanoparticles for Long-Term Industrial-Level Water Oxidation）的成果发表在国际知名、国产领军期刊Nano Research（T0，一区TOP）上，化学化工学院2020级博士生刘海君为本文第一作者，董斌副教授和柴永明教授为共同通讯作者。
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异质结构电催化剂的有效电子和界面耦合是调节析氧反应催化剂的本征活性和稳定性的关键。基于此，团队创新性的制备了FeS-Co9S8肖特基异质结构电催化剂，在工业级的高电流密度下表现出高活性和长稳定性。2D FeS纳米片与其表面分散良好的0D Co9S8纳米颗粒之间的强电子耦合，加速了电子从FeS纳米片中的Fe原子流向四面体位置的Co原子，从而导致异质结构的结构完整以及暴露更多的活性位点。本工作证明了构造肖特基异质结构并使其具有强耦合效应的界面，是获得优异电催化析氧性能的良好策略。
绿色能源化工团队是“重质油国家重点实验室”和“CNPC催化重点实验室”的重要组成部分。团队始终围绕催化加氢、催化制氢、绿色氢能制取与高端利用的基础与应用研究开展工作，服务国家“双碳”战略、服务山东省新旧动能转换、面向我国清洁能源结构转型和绿色高端化工的可持续高质量发展。团队研发了系列高性能过渡金属基催化材料和催化剂成功用于加氢/制氢领域的各个环节，研究成果在新能源、高端化工、绿色环保等领域实现了中试及工业化应用，取得了显著的经济和社会效益。近5年，绿色能源化工团队承担国家自然科学基金重点项目（1项）、国家自然科学基金面上项目（6项）、山东省重大科技创新工程项目（1项）、山东省自然科学基金重大基础研究项目（1项）、中国石油重大科技专项（4项）、技术转化重大项目等课题30余项，发表SCI论文130余篇，撰写著作2部，授权发明专利50余项，获省部级科技奖励2项。

全文链接：

https://doi.org/10.1002/adma.202207066

https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2021.120150 

https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2022.121571

https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.134040

https://doi.org/10.1007/s12274-022-5176-7



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