郑州大学&苏州大学Adv. Sustainable Syst.: 统一电解水产氢和氨硼烷产氢的催化剂设计与研究

【研究背景】

氢气是一种理想的清洁、无毒、储量丰富的能源载体，具有无可比拟的潜在开发价值。目前，电解水产氢和贮氢材料（氨硼烷等）释放氢是两种最有前途的清洁高效的产氢方式。如果能够开发一种催化剂，同时适用于电解水产氢和氨硼烷产氢，将会大大节省人力、物力、财力，起到事半功倍的效果。虽然目前研究的许多催化剂都能够促进其中一种反应，但同时适用于这两种反应的统一催化剂依然尚未报道。因此，亟待开发一种低成本、高效、稳定的统一催化剂来实现氢气的大规模制备。

【成果简介】

近日，郑州大学卢思宇副教授、陈志民副教授和苏州大学康振辉教授(共同通讯作者)，第一作者郑州大学刘源等人通过低温水热，设计合成了一种新型的多孔碳球均匀负载钌纳米团簇的析氢反应催化剂，同时反复交替循环用于电催化产氢和氨硼烷产氢中，并在Adv. Sustainable Syst.上发表了题为“Unified Catalyst for Efficient and Stable Hydrogen Production by Both the Electrolysis of Water and the Hydrolysis of Ammonia Borane”的研究论文。研究表明，上述催化剂不仅在电催化产氢中表现出优异的催化性能，全pH值下具有极低的析氢反应过电位（j = 10 mA cm⁻²at η = 43, 49, and 11 mV in 0.5 M H₂SO₄, 1.0 M PBS, and 1.0 M KOH electrolytes），并且在氨硼烷产氢中表现出优异的催化活性（在298 K.，turnover frequency (TOF) = 706 min⁻¹），且表现出优异的稳定性能。使得一种催化剂可以适用于两个反应，同时反复交替循环用于电催化产氢和氨硼烷产氢，统一了化学产氢和电化学产氢两种产氢方式，在有电能存在的情况下采用电催化产氢，没有电能存在的情况下循环用于贮氢材料释放氢，从而实现高效、超稳定的制氢，极大地推动氢能的发展，并为可持续能源转换技术提供一个有吸引力的解决方案。

【图文导读】

图1：Ru@HPCS催化剂电镜图片

图a-d) Ru@HPCS的扫描电镜和透射电镜图片；

图e) Ru@HPCS HAADF-STEM-EDS Mapping元素图片，红色代表C元素，绿色代表N元素，紫色代表Ru元素。

Ru纳米团簇在N掺杂的HPCS内外均匀分布。

图2：酸性溶液中，Ru@HPCS电解水产氢催化性能图片

图a) 0.5 M H₂SO₄中，Ru@HPCS、Ru@HCS、Pt/C、Ru、HPCS的HER性能

图b-c) 相应的Tafel斜率和阻抗；

图d) Ru@HPCS在酸性溶液中的循环稳定性。

图3：中性和碱性溶液中，Ru@HPCS电解水产氢催化性能图片

图a) 1 M KOH中，Ru@HPCS、Ru@HCS、Pt/C、Ru、HPCS的HER性能；

图b-c) 相应的Tafel斜率和阻抗；

图d) Ru@HPCS在碱性溶液中的循环稳定性；

图e) 1 M PBS中，Ru@HPCS、Ru@HCS、Pt/C、Ru、HPCS的HER性能；

图f) Ru@HPCS在中性溶液中的循环稳定性。

Ru@HPCS在全pH下具有优异的电催化产氢性能，较低的tafel斜率，优异的循环稳定性，媲美20 wt% 的商业Pt/C。

图4：Ru@HPCS氨硼烷产氢催化性能图片

图a) Ru@HPCS、Ru@HCS、Ru催化氨硼烷产氢性能测试；

图b) 不同温度下，Ru@HPCS生成氢气的时间；

图c) Ru@HPCS的Arrhenius曲线和不同温度下的TOF值；

图d) 室温下Ru@HPCS的稳定性测试。

Ru@HPCS在氨硼烷产氢中同样表现出优异的催化活性（在298 K.，turn over frequency (TOF) = 706 min⁻¹），且表现出优异的循环稳定性。

图5：Ru@HPCS作为统一催化剂催化电解水产氢和氨硼烷产氢

图a-f) 氨硼烷产氢后以及6次交替循环后Ru@HPCS在全pH下电解水产氢性能；

图g) 电解水产氢后以及6次交替循环后Ru@HPCS氨硼烷产氢性能；

图h) Ru@HPCS作为统一催化剂催化电解水产氢和氨硼烷产氢的示意图。

由于优异的催化活性和稳定性，Ru@HPCS可以反复交替循环用于电催化产氢和氨硼烷产氢。作者定义一次电解水产氢和一次氨硼烷产氢作为一个循环，经过六次循环后，Ru@HPCS催化剂依然具有较高的活性。实现了一种催化剂交替循环催化电解水产氢和氨硼烷水解制氢，成功制备了统一的高效产氢催化剂。

【小结】

综上所述，通过具有独特结构和性质的空心笼状碳球与RuCl₃低温水热得到的Ru@HPCS有着优异的催化性能。产氢性能测试表明该复合材料不仅在全pH条件下表现出优异的HER性能，并且在氨硼烷产氢中表现出优异的催化活性。由于该催化剂在两种反应中均有着较强的稳定性，使得该催化剂可以反复交替循环用于电催化产氢和氨硼烷产氢。该研究第一次通过使用相同的催化剂统一催化电解水和氨硼烷水解制氢,从而同时促进两个重要的制氢领域,毫无疑问将大大推动氢能发展。

文献链接：Unified Catalyst for Efficient and Stable Hydrogen Production by Both the Electrolysis of Water and the Hydrolysis of Ammonia Borane，Yuan Liu, Xue Yong, Zhongyi Liu, Zhimin Chen, Zhenhui Kang, & Siyu Lu，Advanced Sustainable Systems, 2018, DOI: 10.1002/adsu.201800161

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adsu.201800161

本文由郑州大学卢思宇老师供稿，材料人编辑部编辑

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