青岛科技大学刘希恩教授团队2024年在能源电催化领域取得系列进展|催化剂|刘希恩|氧化|活性|能源电催化|青岛科技大学

导读

在当前能源需求激增和气候变化的背景下，发展契合于“双碳”目标的可再生能源转换技术势在必行。电催化是利用电化学反应促进化学反应过程，在可再生能源的利用和存储方面展现出巨大的潜力。目前，电催化技术在氢气生产、二氧化碳还原、尿素氧化等领域的应用逐渐成为研究的热点，而实现这些电催化技术大规模应用的关键在于先进电催化材料的开发。2024年，青岛科技大学化工学院刘希恩教授团队在能源电催化领域取得一系列新进展。相关成果分别发表于Angew. Chem. Int. Ed. (6篇)、Adv. Mater.(2篇)、Adv. Energy Mater.(3篇)、Adv. Funct. Mater.(2篇)等国际知名期刊。

在电催化碱性析氢方面，该团队通过构建独特的氧空位（Vo）和Ru路易斯酸-碱对（Vo-Ru Lewis acid–base pairs）极大地促进碱性析氢动力学（Angew. Chem. Int. Ed. 2024, 63, e202317622）；通过调控铱晶界处的微环境，实现了高效地碱性析氢（Angew. Chem. Int. Ed. 2024, 63, e202315633）；提出了一种部分间隙掺入策略合成Ru–RuSi异质结构，这不仅可以将Ru顶位点从隐形催化位点转变为显性催化位点，还可以保留Ru表面的较低水解离能垒（Angew. Chem. Int. Ed. 2024, e202423756）；通过恒电势模型计算，发现随着外加电势的增加，由Ru到CoP的氢溢流能垒显著降低，加速了氢析出过程，内建电场耦合氢溢流作用实现了Ru-CoP体系安培级电流密度下的高效碱性电催化析氢（Angew. Chem. Int. Ed. 2024, 63, e202400069）；提出并实现了Mo/Ru基多位点异质电催化剂的理性设计，并通过精确调控Mo的价态和分布，以及引入Ru位点，实现了催化性能的优化（Adv. Mater. 2024, 36, 2410039）；通过氨解原位外延生长，构建了双金属氮化物负载的RuNi合金（RuNi/ZrNiNx）异质结构，可以在安培级电流密度下实现了稳定和优异的电催化析氢和析氧性能（Adv. Mater. 2024,Accepted）；成功构建了高度晶格匹配的Ru/W2C异质结催化剂，其晶格匹配的异质界面能极大降低界面质子吸附能，有效地促进可逆的氢扩散过程，从而提升碱性析氢性能（Adv. Energy Mater. 2024, 202405546）；利用Ru和载体之间较大的功函数差异，诱导Ru的非对称电荷分布，形成高价Ru与金属Ru共存，高价Ru降低了水的解离能垒并提供足够的氢质子，促进氢质子由高价Ru位点向金属Ru位点的溢出，金属Ru位点可以增强H的解吸从而协同增强析氢活性（Adv. Funct. Mater.2024, 34,2314899）。

图1.电催化碱性析氢方面的研究工作

在电催化酸性析氧方面，该团队提出了一种新的策略，即将原子分散的V物质(包括O-桥接的V二聚体和V单原子)加入到RuO2晶格中，以触发O-O自由基的直接偶联，从而释放O2，而不产生*OOH中间体，从而调节催化反应途径，从根本上打破限制RuO2的活性/稳定性权衡，实现酸性析氧反应（OER）的卓越稳定性和活性（Angew. Chem. Int. Ed. 2024, e202413657）；构建了一种具有不对称Ru-O-Ta(-O-Ta)活性单元的短程有序钽掺杂单原子RuO2催化剂（Ta-RuO2），用于增强酸性OER的活性和稳定性（Adv. Energy Mater. 2024, 2403388）；通过加入碱金属K，诱导原位构建K-IrOx薄皮包裹金属Ir的核壳催化剂，实现了在10 mA cm-2电流密度下高达3000小时的稳定性和199 mV的低过电位（Adv. Funct. Mater. 2024, 202421615）。在电催化二氧化碳还原方面，该团队通过调控催化剂的组成和结构控制二氧化碳电还原的反应路径实现了产物选择性切换。将Sb元素引入到CuS中，以S原子为桥，在Cu‒S离子键旁桥接S‒Sb共价键，促使Cu‒S键长由最初的2.24 Å增加到2.30 Å，驱动电化学二氧化碳还原反应产物由HCOOH转变为CO（Angew. Chem. Int. Ed. 2024, 63, e202409206）。在电催化尿素氧化方面，该团队成功开发了一种新型的Cu-NiFe LDH催化剂，通过铜掺杂实现了对镍物种局部电子结构的调控，促进了高价态镍位点的生成。这些高价态镍位点作为尿素氧化（UOR）的活性中心，有效避免了自身氧化现象，提高了催化剂的活性和稳定性（Adv. Energy Mater. 2024, 14, 2403004）。