類酸催化劑助力堿水電解制氫 | 科技前線

析氫反應(yīng)（HER）是一種利用電力和催化劑，將水轉(zhuǎn)化為氫氣的技術(shù)。在堿性電解水制氫領(lǐng)域，鉬鎳合金催化劑因高活性、穩(wěn)定性好，且成本低于貴金屬，成為貴金屬催化劑的有力替代者。但因其活性位點的不確定性，限制了高效鉬鎳合金堿性析氫催化劑的合理設(shè)計與開發(fā)。

中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所團隊制備了典型的MoNi4合金催化劑，并揭示了鉬鎳合金催化堿性HER過程的提升機制。

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提升催化活性的“幕后功臣”

在催化堿性析氫過程中，制備的MoNi4合金催化劑表面不可避免地發(fā)生電化學(xué)重構(gòu)行為，經(jīng)歷“溶解-氧化”結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。

重構(gòu)后的催化劑酸性增強，大幅提升了堿性析氫活性。這種變化得益于原位生成的-Mo-O-Ni異核結(jié)構(gòu)具備強布朗斯特（Br?nsted）酸性，促使在堿性電解液中構(gòu)建出具有高活性質(zhì)子的局域微環(huán)境。這樣一來，氫氣生成反應(yīng)實際上是在一種“類酸性”界面上進行，反應(yīng)條件更為有利。

針對高pH電解質(zhì)中低質(zhì)子濃度和活性的關(guān)鍵科學(xué)問題，調(diào)控局域酸性微環(huán)境被認為是提高堿性析氫反應(yīng)催化活性的開創(chuàng)性策略之一。

▲MoNi4催化劑表面重構(gòu)增強酸性

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類酸催化劑實現(xiàn)“堿中造酸”

布朗斯特酸性氧化物與傳統(tǒng)酸不同，其表面可直接提供質(zhì)子，因此可作為調(diào)節(jié)局部pH的理想材料。在堿性電解液中，布朗斯特酸性氧化物展現(xiàn)出創(chuàng)造類酸微環(huán)境以促進析氫反應(yīng)發(fā)生的優(yōu)勢。

以典型的氧化鎢為例，堿性電解質(zhì)中的水分子在催化劑表面經(jīng)解離后，氫原子以氫鎢青銅中間體的形式儲存起來，從而形成富含質(zhì)子的催化劑表層。隨后，中間體作為固體酸位點，在缺質(zhì)子的電解質(zhì)中釋放質(zhì)子，加速生成氫氣。

基于固體酸特性，團隊設(shè)計了W/WO2異質(zhì)結(jié)催化劑、單原子Ru SAC@WO2/NF催化劑、Al-MoO2@Mo2C模型/實際催化劑體系，實現(xiàn)了高效的堿水電解制氫。

同時，團隊開發(fā)了由Mo單原子、鋁氧陰離子（AlOx-）和磷酸根（POx3-）配位基團修飾的Mo單原子固體酸復(fù)合催化劑，拓展了探索類酸催化劑的設(shè)計理念，驗證了該調(diào)控策略在非貴金屬單原子催化劑體系上的可行性。

▲W/WO2催化劑表面富含質(zhì)子

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多維度觀察“酸性微環(huán)境”

為探究類酸催化劑促進堿水電解析氫這一過程，催化劑表面化學(xué)性質(zhì)的解析與關(guān)鍵質(zhì)子化中間體的鑒定成為重中之重。

團隊利用蘇州納米所納米真空互聯(lián)實驗站（Nano-X）相關(guān)譜學(xué)技術(shù)，發(fā)揮在能源催化方向的表征優(yōu)勢，利用多個互聯(lián)設(shè)備，驗證催化劑的解水能力，檢測催化劑表層氫元素的濃度和捕捉酸化中間產(chǎn)物，多維度確認類酸催化界面的構(gòu)建。

▲Nano-X能源催化方向相關(guān)互聯(lián)設(shè)備

這些圍繞類酸催化劑開展的探索性工作，為堿性析氫反應(yīng)動力學(xué)遲緩難題，提供了針對性的解決方案，有助于推動先進堿性電解水催化劑的后續(xù)研發(fā)。

來源：中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所

責(zé)任編輯：宋同舟