合肥光源用户通过构建新型原子阵列催化剂实现高效电解水制氢
时间 : 2022-03-11     

目前广泛研究的金属非均相催化剂根据金属分散状态大体可分为单原子、团簇和纳米颗粒三种类型。单原子一般随机分布在载体表面,在催化反应中属于“单兵作战”。相比单原子,团簇或者纳米颗粒在催化反应中原子利用率低,活性金属原子间距一般与体相材料相近且难以调控。是否存在第四种类型的金属分散状态:既能保持100%原子利用效率,亦使得活性金属原子间距能够根据催化反应的特点进行调控,从而实现原子间“协同作战”,大幅提升活性一直以来是金属非均相催化剂研究的难点所在。 

中国科学院上海高等研究院姜政研究员、东华大学李小鹏研究员、复旦大学刘智攀教授以及韩国汉阳大学Jung-Ho Lee教授等课题组与国家同步辐射实验室团队合作,依托合肥同步辐射装置红外谱学和显微成像实验站(BL01B),在构建金属非均相新型原子阵列催化剂用于电解水制氢上取得重要进展。研究团队通过一步阳离子交换的方式,使得金属钌原子取代了晶态氧化锰载体(Ru/MnO2)中的锰离子位点,实现了类似“罗马军团”一样的规整原子排列。相比于传统催化剂氧化钌,钌原子之间的间距明显缩小,使得在电解水过程中近邻钌原子上吸附的活性氧快速耦合生成氧气,大幅度降低了反应能垒。另外通过氧化锰载体与钌的动态置换反应,克服了钌的溶出问题,使得该催化剂获得了独有的自修复能力。Ru/MnO2的活性与稳定性均大幅度超越商业化催化剂以及现有文献报道的催化剂,且制备简单能够实现放大生产(专利申请号:202110262336.5)。Ru/MnO2在提升电解水制氢效率的同时,使得阳极催化剂成本降低50倍以上。针对反应机理,研究团队利用合肥光源发展的同步辐射原位电化学显微红外光谱发现:水分子在Ru原子阵列上解离后,两个邻位Ru原子上所吸附的氧自由基可直接耦合快速生成氧气,从而避免了由晶格氧参与水分解反应所导致的催化剂腐蚀。 

原子阵列合成方法简单,通过调控载体可实现不同规整原子阵列结构的合成,赋予该类催化剂极强的可设计性,预计在化学品合成、能源和环境催化领域都将有着广阔的应用前景。相关研究成果以 “In-situ reconstructed Ru atom array on α-MnO2 with enhanced performance for acidic water oxidation”为题,发表在国际著名期刊《自然.催化》[Nature Catalysis 4(12):1012-1023(2021)]上。

 

 
 
    图:(左)水分解反应机理示意图;(右)同步辐射原位红外谱测试设备示意图及原位谱图 

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41929-021-00703-0