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青島科技大學王磊/賴建平教授團隊EcoEnergy：通過氮化硼作為載體富集H2O促進非過濾海水析氫
信息來源：本站 | 發布日期： 2024-03-11 10:59:35 | 瀏覽量：52995
原位拉曼和理論計算相結合顯示h-BN 促進水的吸附和富集；h-BN作為載體負載金屬可用于防腐蝕和防止污垢的形成。研究背景H2作為一種能源密度高的清潔能源，被廣泛視為可再生能源的替代品，以應對緊迫的環境危機和化石能源供應的短缺。淡水資源的短缺是工業應用中水電解的瓶…
原位拉曼和理論計算相結合顯示h-BN 促進水的吸附和富集；h-BN作為載體負載金屬可用于防腐蝕和防止污垢的形成。
研究背景
H2作為一種能源密度高的清潔能源，被廣泛視為可再生能源的替代品，以應對緊迫的環境危機和化石能源供應的短缺。淡水資源的短缺是工業應用中水電解的瓶頸，由于海水幾乎是無限的資源，海水直接電解是取代淡水大規模生產氫的可持續策略。然而在天然海水中存在大量Mg2+和Ca2+，陽離子受到靜電作用將富集在陰極表面，導致不溶性沉淀（Mg(OH)2和Ca(OH)2）的形成，這會對電子轉移和活性部位覆蓋產生很大影響，同時存在Cl?引起的腐蝕問題，進而導致工業制氫過程中的催化性能嚴重降低，運行成本上升。六方氮化硼（h-BN）是迄今為止報道的最防污的材料，由于它的原子表面光滑，原子間距與水分子的大小非常匹配，后一種特性導致與水的強極性相互作用，從而導致致密的水化層。青島科技大學王磊/賴建平教授團隊報道了以六方氮化硼（h-BN）作為載體富集水促進非過濾海水析氫的電催化劑。密度泛函理論計算和相應的物理表征共同證明，h-BN作為載體負載Pt，有效地促進水吸附從而防止了陰極的腐蝕和污垢的形成，并降低了能耗，從而延長了在高電流密度下的工作穩定性。電化學測試結果表明，Pt/h-BN與Pt/C相比，Pt/h-BN在堿性海水電解質中表現出最佳的HER活性，其僅需要84、228和317 mV的過電位就能達到100、500和1000 mA·cm-2的電流密度。且Pt/h-BN在500 mA cm?2的高電流密度中，可穩定工作1000 h以上。Pt/h-BN在工業生產條件下的析氫性能優于Pt/C，具有良好的工業應用前景。
圖文解析
圖1.（A）Pt/h-BN的TEM圖像；（B）Pt/h-BN的HR-TEM 圖像；（C）Pt/h-BN的強度分布圖；（D）Pt/h-BN的HAADF-STEM 圖像及其EDX圖譜。
采用透射電鏡（TEM）和高分辨率投射電子顯微鏡（HRTEM）分析Pt/h-BN的微觀結構。Pt顆粒均勻地分布，Pt顆粒平均粒徑為3.0±0.1 nm（圖1A）, Pt晶格條紋為2.26nm（圖1B）。通過（EDS）mapping圖像觀察相應區域的元素分布（圖1D）, Pt以原子形式均勻分布，B，N，Pt元素的分布進一步證實了成功制備的Pt/h-BN。
圖2.（A）Pt/h‐BN和（B）Pt/C的AFM圖像；（C）Pt/h‐BN 和（D）Pt/C粗糙度值。
通過原子力顯微鏡(AFM)分析微觀結構。相比于Pt/C（圖2B），Pt/h‐BN（圖2A）的表面相對更光滑，Pt/h‐BN的粗糙度為2.0nm（圖2C）和Pt/C的粗糙度為3.0nm（圖2D）。這意味著更光滑的表面有利于防止結垢。
圖3.（A）Pt/h‐BN, Pt/C和h‐BN在堿性海水的極化曲線；（B）電流密度為500 mA cm-2、500 mA cm-2 、1000 mA cm-2時的過電位；（C）塔菲爾斜率；（D）TOF 對比圖；（E）交換電流密度對比圖；（F）Pt/h‐BN 在500 mA cm-2 時通過計時電流測試進行長達 1000 小時的耐久性評估。
在堿性海水中分析了催化劑的析氫性能。在500 mA cm-2、500 mA cm-2 、1000 mA cm-2時Pt/h‐BN的過電位分別為84，228，317 mV，Pt/C為257，451，537 mV（圖3A，3B）。Pt/h‐BN和Pt/C的塔菲爾斜率分別為177.32，56.98 mV dec-1（圖3C）。Pt/h‐BN，Pt/C和h-BN的TOF值為3.06，0.88，0.75 s-1（圖3D）。Pt/h‐BN的交換電流密度為5.8 mA cm-2（圖3E）。在500 mA cm-2下Pt/h‐BN的穩定性測試高達1000 h（圖3F）。這證實了Pt/h‐BN在無過濾海水具有優良的析氫性能。
圖4. （A）和（B）Pt/h-BN和Pt/C的原位紅外光譜圖；（C）Pt/C和（D）Pt/h-BN的原位拉曼圖；（E）Pt/h-BN和（F）Pt/C在NaCl溶液中的拉曼光譜圖。
通過原位紅外和原為拉曼測試表明，相對于Pt/h-BN，Pt/C上出現明顯的Mg–OH鍵（~1400 nm-1)或Ca–OH鍵（~3000 nm-1)振動峰。而Pt/h‐BN沒有顯示出顯著的Mg–OH或Ca–OH特征峰（圖4A）。根據圖4B，H–O–H彎曲振動峰值位于Pt/h‐BN（1635.20 cm-1)低于波數Pt/C（1635.74 cm-1)，表明Pt/h‐BN促進水分解的發生。在圖4E，F中，在630 cm-1處出現特征峰，這可能與Cl?的形成有關，并且Pt/C上的Cl?振動峰更明顯，這表明Pt負載在h‐BN后可顯著降低Cl?的吸附。這表明h-BN的存在能有效防止污垢和Cl?的形成。
圖5.（A）AEM電解槽原理圖；（B）AEM電解槽裝置照片；（C）AEM電解槽中Pt/h‐BN||Pt/h‐BN和Pt/C||RuO2的極化曲線；(D) Pt/h‐BN 在1 A cm-2時通過計時電流測試的耐久性評估。
在實際AEM電解槽中，Pt/h‐BN的HER活性高于商用Pt/C，Pt/h‐BN在1 A cm-2下過電位為3.34V（圖5C），在實際應用中，催化劑的穩定性可以發揮更大的作用。在100 h電化學測試，電池電壓沒有波動顯著（圖5D）。這表明催化劑在AEM電解槽中也具有優異的穩定性。
總結與展望
本文章證明了由于h-BN作為載體可以有效吸收H2O，減少Cl-的吸收和不溶性沉淀的形成，從而實現耐腐蝕和防污，并減少在堿性海水中高電流密度下的能量消耗。此外，在一個AEM電解槽，Pt/h-BN具有優異的氫氣工業生產條件下的進化性能具有良好的工業應用前景。這種反應物富集吸附的策略也可用于其他復雜的催化環境。
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