Energy & Environmental Science：电缆状Ru/WNO@C纳米线同时真现下效析氢战低能耗氯碱电解 – 质料牛

2024-12-26 04:06:20 [内幕真相] 来源：

【布景】

电解水制氢由于其净净、电低能量转化效力下、缆状料牛氢气杂度低级劣面成为将去财富制氢的纳米幻念蹊径。但正在斲丧早期崇下的线同现下效析配置装备部署投进战产物的繁多性，导致经济效益低，氢战限度了其财富化。耗氯将电催化析氢与传统的碱电解质化工斲丧工艺相散漫，真现联产，电低可看成为处置上述艰易的缆状料牛实用蹊径。传统的纳米氯碱财富经由历程电解卤水斲丧烧碱战氯气是国仄易远经济中占主导地位战不成交流的底子化工财富之一。它由阳极的线同现下效析析氯反映反映(ClER)、阳极的氢战析氢反映反映(HER)战氢氧化钠的天去世反映反映组成。而阳极析氢反映反映做为氯碱财富的耗氯副反映反映，果其正在浓碱条件上水裂解能源教反映反映缓，碱电解质析氢过电势赫然后退，电低而其产物氢气每一每一直接排空，导致氯碱财富成为传统的下能耗财富，每一年耗益齐球远10%的电能。若能将下效的电催化析氢与底子的氯碱财富相散漫，不但有看停止产氢配置装备部署的分中投进，真现氢能下效、低老本的斲丧，同时借可能小大幅度降降氯碱财富的能耗，后退其产值战簿本经济性。但真现上述联产足艺的闭头性科教问题下场是正在氯碱下温、下盐、浓碱条件下，下效、低过电势、下晃动性析氢电催化剂的公平设念战斥天战其工做机理的商讨。

【功能简介】

远期，西南师范小大教李阳光教授、谭华桥副教授战郎中玲专士钻研团队与苏州小大教康振辉传授课题组开做正在Energy & Environmental Science期刊上宣告题为“Cable-like Ru/WNO@C Nanowires for Simultaneous High-efficiency Hydrogen Evolution and Low-energy Consumption Chlor-alkali Electrolysis”的研分割文，论文第一做者为西南师范小大教专士钻研去世张陆北。钻研者经由历程热解W₁₈O₄₉纳米线、三氯化钌(RuCl₃)战熔融尿素的异化物，制备了一系列电缆状由少层氮异化碳包覆、超小Ru纳米簇锚定的W_0.62(N_0.62O_0.38) (WNO)纳米线(记为Ru/WNO@C)。该电缆状Ru/WNO@C催化剂正在碱性条件下展现出超下的电催化HER活性，并可能直接用做氯碱电解槽的阳极催化剂，匹里劈头真现下效、低能耗、晃动电催化析氢与氯碱财富的魔难魔难室模拟联产。其中，最劣的催化剂Ru/WNO@C（Ru wt％= 3.37％）正在1M KOH溶液中，当电流稀度为10 mA cm^-2时，过电势仅需2 mV，是古晨碱性调价下HER活性最下的催化剂。其Tafel斜率约为33 mV dec^-1，正在50 mV的过电势下，量量活性下达4095.6 mA mg^-1，且可少时候波开工做逾越100小时。值患上一提的是，Ru/WNO@C（Ru wt％= 3.37％）正在90℃的模拟氯碱电解槽中提醉出赫然劣于传统阳极析氢质料低碳钢的HER活性。将其滴涂正在碳纸上与财富析氯阳极（涂覆有RuO₂/IrO₂的钛网）组成离子膜电解池，当电流稀度达10 mA cm^-2时其槽压仅需2.48 V，较以传统低碳钢阳极电解池槽压降降320 mV，且连绝晃动运行逾越25小时。此外，经由历程小大量的魔难魔难散漫稀度泛函实际合计证实Ru纳米簇下度分说其真晃动背载与下结晶性WNO纳米线对于其劣秀的碱性HER活性至关尾要，Ru/WNO界里相宜的氢吸附逍遥能（ΔG_H^*= - 0.21 eV）战较低的水裂解势垒（ΔG_B= 0.27 eV）给予了其正在浓碱性氯碱财富条件下的劣秀HER功能。同时，电缆状复开催化剂中层的氮异化碳壳也进一步劣化了Ru/WNO析氢能源教历程，后退了其导电性战晃动性。上述魔难魔难数据充真掀收了Ru/WNO@C电催化剂劣秀碱性HER活性的外在成份，证清晰明了其正在电催化制氢-氯碱财富联产足艺中操做的可止性战潜在操做价钱。该工做为下效晃动碱性HER催化剂的公平设念战制备提供了尾要的参考凭证，并面明了下经济效益、低能耗的电催化制氢-氯碱财富联产足艺的成暂远景。

【图文导读】

图1.示诡计及表征

(a) 电缆状Ru/WNO@C NWs电催化剂制备示诡计。起尾，W₁₈O₄₉NWs战RuCl₃前体经由历程磁力搅拌分说正在熔融尿素中。热却后的固体异化物粉终正在管式炉中下温热解真现W₁₈O₄₉NWs的部份氮化战RuCl₃的复原复原，患上到了事实下场的电缆状Ru/WNO@C NWs电催化剂。紫色的核代表WNO纳米线，俯仗与WNO纳米线上的红色小球为Ru纳米簇，浓蓝色的中壳代表少层氮异化碳;

(b) Ru/WNO@C (Ru wt % = 3.37%)SEM图像;

(c)-(d) Ru/WNO@C (Ru wt%=3.37%)TEM图像;

(e) Ru/WNO@C(Ru wt%=3.37%)的HRTEM图像。插图:对于应的FFT图;

(f)-(k)下角环形暗场扫描TEM (HAADF-STEM)图像战EDAX元素映射(g) Ru、(h) W、(i) N、(j) O战(k) C正在Ru/WNO@C(Ru wt%=3.37%)中的扩散。

图2.XRD战XPS表征

(a) Ru/WNO@C(Ru wt%=3.37%)的PXRD图谱;Ru/WNO@C(Ru wt%=3.37%)的下分讲率(b) Ru 3p, (c) C 1s + Ru 3d, (d) W 4f, (e) N 1s战(f) O 1s光谱。

图3.正在1 M KOH中的电催化HER功能

(a) 1 M KOH中Ru/WNO@C (Ru wt%=3.37%)、GCE、20% Pt/C、Ru 粉、5% Ru/C、WNO@C、Ru NPs@C (Ru wt%=78.58%)、3.37% Ru/C的线性扫描伏安(LSV)直线;

(b) 1 M KOH中Ru/WNO@C (Ru wt%=3.37%)、20% Pt/C、Ru粉终、5% Ru/C、Ru NPs@C (Ru wt%=78.58 wt%)、3.37% Ru/C的量量活性;

(c) Ru/WNO@C (Ru wt%=3.37%)、20% Pt/ C、Ru粉、5% Ru/ C、Ru NPs@C (Ru wt%=78.58 wt%)战3.37% Ru/ C正在1 M KOH中当过电势为50 mV时的比活性(左)战量量活性(左);

(d) 1 M KOH中Ru/WNO@C (Ru wt%=3.37%)、20% Pt/C、Ru粉终、5% Ru/C、WNO@C、Ru NPs@C (Ru wt%=78.58%)、3.37% Ru/C的Tafel直线;

(e) 1 M KOH中Ru/WNO@C (Ru wt%=3.37%)、Ru NPs@C (Ru wt%=78.58 wt%)战WNO@C的循环伏安直线(CVs)，扫速为100 mV s^-1。外部左下角：Ru/WNO@C (Ru wt%=3.37%)、Ru NPs@C (Ru wt%=78.58 wt%)战WNO@C正在电势为0.175V时的电容电流战扫速的函数关连；

(f) 1 M KOH中Ru/WNO@C (Ru wt%=3.37%) 正在过电势为十、30、50战70 mV时电催化产氢历程的法推第效力。插图(下):Ru/WNO@C (Ru wt%=3.37%)正在1 M KOH中的减速晃动性魔难魔难。

图4. 实际合计

(a)水裂解蹊径及过渡态示诡计;

(b) 背载Ru₁₃簇的WNO的电荷稀度好等值里，等量值为0.005 e Å ^{- 3};

正在Ru(001)、WNO(111) 、Ru₁₃/WNO(111) 战Ru₁₃/ WNO(111)/ CH上的(c) 氢吸附逍遥能图战(d)水裂解电势图。

图5.正在模拟氯碱电解液中的电催化HER功能

(a) 正在20℃的模拟氯碱电解液(3 M NaCl + 3 M NaOH水溶液)中，Ru/WNO@C (Ru wt%=3.37%), 20% Pt/C战低碳钢的LSV直线；

(b) 正在20℃的模拟氯碱电解液(3 M NaCl + 3 M NaOH水溶液)中，Ru/WNO@C (Ru wt%=3.37%), 20% Pt/C战低碳钢吸应的Tafel直线；

(d) 正在90℃的模拟氯碱电解液(3 M NaCl + 3 M NaOH水溶液)中，Ru/WNO@C (Ru wt%=3.37%), 20% Pt/C战低碳钢的LSV直线；

(e) 正在90℃的模拟氯碱电解液(3 M NaCl + 3 M NaOH水溶液)中，Ru/WNO@C (Ru wt%=3.37%), 20% Pt/C战低碳钢吸应的Tafel直线；

(f) 正在90℃的模拟氯碱电解液(3 M NaCl + 3 M NaOH水溶液)下，Ru/WNO@C (Ru wt%=3.37%), 20% Pt/C战低碳钢HER功能参数的比力;

(g)自制离子膜电解槽照片;

(h) Ru/WNO@C (Ru wt%=3.37%)//RuO₂/IrO₂-涂覆的钛网，20% Pt/C//RuO₂/IrO₂-涂覆的钛网，低碳钢//RuO₂/IrO₂-涂覆的钛网战裸碳纸//RuO₂/ IrO₂-涂覆的钛网，用于自制离子膜电解池正在20℃下的氯碱电解的LSV直线。电解槽的阳极室的电解量为饱战的NaCl水溶液，阳极室的电解量为3 M NaCl战3 M NaOH的水溶液;

(i) Ru/WNO@C (Ru wt%=3.37%)//RuO₂/IrO₂-涂覆的钛网电解池的计时电位直线，正在恒定的电流稀度（10 mA cm^-2）下电解25h，电解池阳极室的电解液为过饱战的NaCl水溶液以确保正在经暂晃动性测试时期有短缺的氯源。

【论断】

本工做报道了一种新型的电缆状Ru/WNO@C复开纳米线电催化剂，是经由历程简朴的一步热解格式，将具备极低水裂解能垒的Ru纳米簇战晃动的载体WNO相散漫，同时正在界里处经由历程电子转移真现了协同效应。小大量的魔难魔难数据战实际下场批注，Ru的减进赫然降降了水的裂解能垒，其值仅为0.27 eV，并给予了复开催化剂相宜的氢吸附逍遥能以劣化HER功能。正在1M KOH溶液中，钌背载量为3.37% 的催化剂Ru/WNO@C隐现出超低的过电势η₁₀=2 mV,较小的Tafel斜率(33 mV dec^-1),下交流电流稀度(9.09 mA cm^–2)战下量量活性(4095.6 mA mg^-1正在过电压为50 mV下),战经暂晃动(100 h)战接远100%的法推第效力, 那赫然劣于20%的商业Pt/C。此外,催化剂Ru/WNO@C正在90℃的模拟氯碱电解量中也被证实具备下HER功能。该项钻研为下效、晃动的碱性析氢电催化剂的设念战制备提供了尾要的参考凭证，而且提醉了去世少下经济效益、低能耗的电化教析氢与氯碱财富联产足艺的好好远景。

文献链接

Cable-like Ru/WNO@C Nanowires for Simultaneously Highefficient Hydrogen Evolution and Low-energy Consumption Chloralkali Electrolysis

团队介绍：西南师范小大教李阳光教授钻研团队立足基于多酸的功能化质料的设念战制备，正在光解水产氢产氧、电解水产氢、电催化两氧化碳复原复原、氧复原复原等与能源相闭的规模中睁开了一系列连绝性工做并患上到了至关的功能。该钻研团队尾要由李阳光教授、谭华桥副教授、王永慧副教授、郎中玲专士战部份专士、硕士钻研去世组成，团队业余、职称挨算公平，具备较为盈强的钻研真力。

团队正在电解水产氢规模的工做汇总：该钻研团队从2015年起，一背苦守正在电解水产氢的规模中，到古晨为止正在该规模已经宣告一系列下影响SCI论文：

H.-Q. Tan,* J. Zhong,* Z.-H Kang,* Y.-G. Li,* High efficient hydrogen evolution triggered by a multi-interfacial Ni/WC hybrid electrocatalyst, Energy Environ. Sci.,2018,11, 2114-2123.
H.-Q. Tan,* Z.-H Kang,* Y.-G. Li,* High efficient hydrogen evolution from seawater by a Low-cost and stable CoMoP@C electrocatalyst super ior to Pt/C, Energy Environ. Sci.,2017,10, 788-798.
H.-Q. Tan,* S.-Y Song,* Y.-G. Li,* Leaf-Mosaic-Inspired Vine-Like Graphitic Carbon Nitride Showing High Light Absorption and Efficient Photocatalytic Hydrogen Evolution,Adv. Energy Mater., 2018, 1801139
Y.-G. Li,* E.-B. Wang, *Polyoxometalate-Based Nickel Clusters as Visible Light-Driven Water Oxidation Catalysts, J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 5486-5493
Z.-L. Lang,* H.-Q. Tan,* Y.-G. Li,* Ultrafine cable-like WC/W₂C heterojunction nanowires covered by graphitic carbon towards highly efficient electrocatalytic hydrogen evolution, J. Mater. Chem. A., 2018, 6, 15395-15403;
H.-Q. Tan,* L.-K. Yan,* Y.-G. Li,* N-Carbon coated P-W₂C composite as efficient electrocatalyst for hydrogen evolution reactions over the whole pH range, J. Mater. Chem. A,2017, 5, 765–772.
H.-Q. Tan,* X.-L. Wang,* Y.-G. Li,*N-Doped graphene-coated molybdenum carbide nanoparticles as highly efficient electrocatalysts for the hydrogen evolution reaction, J. Mater. Chem. A,2016,4, 3947–3954.
G. Yan,* H.-Q. Tan,* Y.-G. Li,*Oxygen-Doped Nickel Iron Phosphide Nanocube Arrays Grown on Ni Foam for Oxygen Evolution Electrocatalysis, Small, 2018, 14, 1802204
H.-Q. Tan,* Y.-H. Wang,* Y.-G. Li,* A Co₂P/WC Nano-Heterojunction Covered with N-Doped Carbon as Highly Efficient Electrocatalyst for Hydrogen Evolution Reaction,ChemSusChem, 2018, 11, 1082-1091.
Z.-L. Lang,* H.-Q. Tan,* Y.-G. Li,*Electrocatalytic performance of ultrasmall Mo₂C affected by different transition metal dopants in hydrogen evolution reaction, Nanoscale, 2018,10, 6080-6087.
H.-Q. Tan,* H.-Y. Zang,* Y.-G. Li,*MoP/Mo₂C@C: A New Combina tion of Electrocatalysts for Highly Efficient Hydrogen Evolution over the Entire pH Range, ACS Appl. Mater. Inter.,2017,9, 16270-16279.