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文章信息
JMCA:焦耳熱快速加熱制備高效Mo基電催化劑用于電催化裂解海水產氫
第一作者：趙展
通訊作者：孟祥超
原文鏈接：https://doi.org/10.1039/D3TA01522J
研究背景
環境污染和能源短缺危機促使人們開始關注可再生氫能源(H2)的研究。電化學海水裂解制氫已成為最有前途的制氫策略之一，以地球上豐富的W、Fe、Co、Ni、Mo等過渡金屬合理構建電催化劑成為研究前沿。然而這些催化材料通常是由傳統的熱解法所制備，具有低效耗時且耗能的缺點。并且面臨著長時間加熱所導致的氧化，團聚等負面影響。本文利用焦耳熱快速加熱制備出高性能析氫催化材料，通過60秒的加熱即可完成MoNi合金/氧化鉬復合材料的制備，可以有效地催化堿性海水介質中的析氫反應(HER)。
文章簡介
基于此，中國海洋大學的孟祥超教授團隊利用焦耳熱快速加熱合成的MoNi4/MoOx表現出了極佳的HER性能，僅需15 mV 的過電位即可達到 10 mA·cm-2 的電流密度，甚至在高電位下（1 A·cm-2）僅需227 mV，優于傳統煅燒法合成的催化劑。這歸因于快速加熱所引起的催化劑形貌，Mo元素價態的變化以及快速加熱產生的缺陷。同時超快的加熱方法節省了大量的能源，加快了催化劑的制備速度。本文成果突出了焦耳熱快速加熱在開發用于電化學能源領域催化劑方面的獨特潛力。
本文要點
要點一：快速加熱節時節能
通過快速的焦耳熱加熱方法，可以實現在室溫下以67℃/s的升溫速率瞬間達到目標反應溫度。同時，超短的處理時間不僅使合成過程更加高效，也意味著更低的能耗，僅為傳統煅燒方法的0.12%。
要點二：MoNi4/MoOx的形貌分析
MoNi4/MoOx展現出密集的棒狀納米棒結構，盡管與傳統加熱合成的催化劑形態相似，但生成的MoNi4納米顆粒較小，平均直徑達到了46納米。同時展現出了更大的比表面積。因此更有利于電解質的擴散以及提供更多的電化學活性位點。
要點三：電催化裂解海水產氫
焦耳熱快速加熱合成的催化劑僅需15 mV 的過電位即可達到 10 mA·cm-2 的電流密度，甚至在高電位下（1 A·cm-2）僅需227 mV，優于傳統煅燒法合成的催化劑以及商業鉑碳。同時該催化劑也表現出了優異電化學性能以及穩定性（1000小時穩定性測試無明顯衰減）。并且構成的堿性海水電解槽（AEM）也具有優異的活性。基于催化劑優越的析氫性能，本研究將MoNi4/MoOx//RuO2電解槽與自制太陽能電池串聯，組裝為太陽能輔助堿性海水制氫裝置。組裝裝置產生了高達11.28%的STH效率，優于商業鉑碳以及氧化釕的組合，為零耗能產氫提供參考與借鑒。
通訊作者簡介：
孟祥超教授：中國海洋大學化學化工學院教授、博士生導師。本科畢業于中國海洋大學，碩士和博士畢業于加拿大渥太華大學。之后，作為兼職助理教授在加拿大渥太華大學任教，以博士后的身份在加拿大滑鐵盧大學從事研究工作。2019年全職加入中國海洋大學。主要研究方向：光電催化裂解海水制氫；光催化/電催化CO2還原、固氮及新型光電催化反應器設計及開發。在光電催化領域發表學術論文60余篇。
