【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，集成電路學院王春棟團隊在Advanced Functional Materials 期刊發(fā)表題為“Chloride-Tolerant Iridium Single-Atom Modulated Nickel Hydroxide for Industrial-Current-Density Seawater Electrolysis”的研究論文。王春棟教授為通訊作者，伊朗籍博士后SolmazFeizpoor為論文第一作者。
 

　　由于海水資源豐富，海水電解被認為是一種很有前景的可持續(xù)制氫途徑。然而，高濃度的氯離子帶來了諸多挑戰(zhàn)，包括催化劑腐蝕、競爭性副反應以及選擇性降低——尤其是在工業(yè)電流密度下。傳統(tǒng)策略通常側(cè)重于抑制氯離子的影響，但這些方法往往會降低催化活性，或無法在苛刻的操作條件下維持長期穩(wěn)定性。此外，氯離子與催化劑表面之間復雜的相互作用會進一步干擾關(guān)鍵反應中間體的吸附和轉(zhuǎn)化，導致反應動力學緩慢和性能下降。因此，開發(fā)能夠在堿性海水條件下高效運行，同時保持高活性、高選擇性和高耐久性的催化劑仍然是一項重要的科學挑戰(zhàn)。這項工作代表了單原子電催化和海水電解領(lǐng)域的一項重大進展，為合理設(shè)計能夠在復雜電解質(zhì)環(huán)境中運行的催化劑提供了新的思路。
 

　　本研究開發(fā)了一種基于銥單原子修飾的Ni(OH)?的耐氯電催化劑，該催化劑能夠在工業(yè)電流密度下高效電解海水。其原子模型是通過將孤立的銥原子取代Ni(OH)?晶格而構(gòu)建的，從而形成均勻分散的單原子活性位點。先進的顯微和光譜表征證實了銥物種的成功引入以及明確的局部配位環(huán)境的形成。在堿性和海水條件下，該催化劑在析氫反應(HER)和析氧反應(OER)中均表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，在1 A cm?²的工業(yè)電流密度下穩(wěn)定運行超過500小時。這表明該催化劑在含氯環(huán)境中具有優(yōu)異的催化活性和耐久性。性能的提升源于銥單原子和電解液中氯離子的共同作用。原位拉曼光譜表明，Ir的引入促進了催化劑表面的動態(tài)活化，從而在析氧反應(OER)條件下生成具有催化活性的NiOOH物種。同時，在堿性海水條件下，Cl?的存在進一步促進了活性物種的生成，并促進了Ni位點的氧化，表明氯離子積極參與界面調(diào)控，而非僅僅作為有害物種發(fā)揮作用。
 

　　密度泛函理論(DFT)計算進一步闡明了氯離子在堿性海水條件下對電子結(jié)構(gòu)和反應能量的調(diào)控作用。Cl?的存在增加了費米能級附近的電子態(tài)，并調(diào)節(jié)了Ni和Ir的d帶中心，從而優(yōu)化了電荷分布。計算得到的自由能曲線表明，Cl?促進了關(guān)鍵中間體的吸附和轉(zhuǎn)化，并降低了關(guān)鍵反應步驟的能壘，最終加速了析氫反應(HER)和析氧反應(OER)的動力學過程。
 

圖為部分實驗結(jié)果
 

　　此項工作是王春棟教授團隊在電催化方向的階段性研究成果。團隊長期從事電催化相關(guān)探索，近兩年來在能源催化材料局域電子調(diào)控及反應動力學機制研究方面取得了系統(tǒng)研究成果。