【摘 要】
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发展绿色氢能经济是我国向可再生零碳能源结构转型,实现“碳达峰、碳中和”目标的必由之路。基于水电解的析氢反应(HER)是一种很有前景的可再生氢能生产策略。而目前的电解水技术均是基于纯水,这无疑加剧了水资源短缺的问题。我国拥有丰富的海水资源,开发和利用海水资源是当前科学研究的一项重要任务。电解海水制氢技术可利用可再生能源产生的电能,实现电能向氢能的转化,是规模化制氢的新途径。然而,海水中复杂的化学环境
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发展绿色氢能经济是我国向可再生零碳能源结构转型,实现“碳达峰、碳中和”目标的必由之路。基于水电解的析氢反应(HER)是一种很有前景的可再生氢能生产策略。而目前的电解水技术均是基于纯水,这无疑加剧了水资源短缺的问题。我国拥有丰富的海水资源,开发和利用海水资源是当前科学研究的一项重要任务。电解海水制氢技术可利用可再生能源产生的电能,实现电能向氢能的转化,是规模化制氢的新途径。然而,海水中复杂的化学环境使得阳极易发生竞争性析氯反应,导致电极腐蚀和环境污染,限制了电解池的寿命。因此,开发电解海水无氯制氢新技术避免析氯反应的发生以及能提高海水制氢反应效率的稳定高效催化剂是推动电解海水制氢工业化的关键。受限于水电解缓慢的阳极析氧反应(OER)动力学,一种显著降低水电解过电位的新技术是利用本征热力学电位更低的肼氧化反应(Hz OR)代替阳极OER,从而显著降低电解海水过电位,在避免析氯反应的同时又能实现节能制氢。因此,构筑具有优异性能的HER与Hz OR双功能电催化剂对于肼氧化辅助海水制氢具有重要意义。本文通过采用一步水热法及高温磷化的方法,成功制备了三金属掺杂的MOFs催化剂及MOFs基双金属掺杂型磷化物催化剂,并在肼氧化辅助电解海水制氢反应中展现了优异的活性和稳定性,主要内容如下:(1)报道了一种简便的在泡沫镍上原位生长的微球状Ir掺杂Ni/Fe基MOFs(MIL-(Ir Ni Fe)@NF)的方法。制得的MIL-(Ir Ni Fe)@NF电催化剂因具有分级结构和优异的传递系数,在碱性介质中表现出优异的电解海水催化活性和稳定性,并在两电极全海水分解过程中需1.9 V就可驱动1000 m A cm-2的大电流密度。此外,将该双功能催化剂应用于两电极Hz OR辅助电解海水制氢过程中,仅需0.69V的超低电势就可驱动1000 m A cm-2的大电流密度,并且具有非常好的稳定性,证明了其在海水电解制氢过程中的巨大潜力。这项工作为构筑用于节能水/海水电催化的金属掺杂型金属MOFs催化剂提供了新思路。(2)利用简单的水热结合低温气相磷化策略构筑了Ru和Fe双掺杂Ni2P纳米片阵列,该催化剂在碱性海水中展现了优异的Hz OR和HER双功能电催化性能。此外,将该双功能催化剂应用于海水中的全水合肼分解(OHz S)仅需0.33和0.70 V的低电压就能驱动100和1000 m A cm-2。功耗计算表明,与不含N2H4的海水两电极系统相比,OHz S系统生产1.0 L H2可节省4.70 W h,实现了H2的节能生产。DFT计算表明,Ru、Fe掺杂的协同作用可以优化对HER的氢吸附自由能(ΔGH)和对Hz OR有利的脱氢反应动力学。重要的是,通过将直接肼燃料电池与混合海水分解电解槽相结合的自供电制氢系统可以在室温下实现10.8 mmol h-1的良好产氢率。这一发现为有效地将海洋资源转化为氢燃料同时去除有害污染物奠定了良好的基础。
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