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陈忠伟院士,联手北化工曹达鹏,最新Angew!
时间:2026-01-13 16:40:17
陈忠伟院士,联手北化工曹达鹏,最新Angew!
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陈忠伟院士与北京化工大学曹达鹏教授合作,于2024年10月24日在《Angewandte Chemie International Edition》发表了关于碱性析氢反应(HER)电催化剂的最新研究,提出通过界面电子捕获定制多中间体键合亲和力的策略,显著提升了碱性水分解制氢的效率与稳定性。研究背景与挑战碱性析氢反应(HER)是可持续能源技术(如电解水制氢)的核心环节,但其多步骤过程(包括水解离、OH?解吸和H?析出)的协同调控极具挑战性。传统催化剂难以同时优化这些步骤,导致过电位高、稳定性差。研究目标:开发一种能精准调控碱性HER中间体(如OH?、H*)与催化剂表面键合亲和力的多功能电催化剂,以降低反应能垒并提升耐久性。催化剂设计与合成材料创新:研究团队设计了WN-NiN/CFP垂直集成电极,其核心结构为双氮化物金属异质结纳米片阵列。该结构通过以下特性实现性能突破:晶格匹配与导电性:WN(氮化钨)与NiN(氮化镍)异质界面形成完美晶格匹配,确保电荷高效传输。多功能催化位点:异质结表面同时暴露W-W位点和Ni-N位点,可分别调控OH?转移和H?析出步骤。合成方法:通过水热法在碳纤维纸(CFP)基底上生长纳米片阵列,随后进行氮化处理,形成WN-NiN异质结构。性能优化机制界面电子捕获效应:密度泛函理论(DFT)计算表明,异质界面处的电荷再分布导致W-W位点电子积累,削弱了O p-W d(OH?吸附)和H s-W d(H*吸附)的相互作用强度。这种“适度吸附”策略平衡了中间体的结合与脱附:OH?快速转移至溶液,H*高效耦合生成H?,从而降低反应过电位。多步骤协同调控:水解离:Ni-N位点活化水分子,促进H-OH键断裂。OH?解吸:W-W位点通过弱化O-W相互作用加速OH?释放。H?析出:W-W位点优化H*覆盖度,促进H-H耦合。性能表现低过电位:在10 mA/cm2电流密度下,过电位仅36.8 mV,显著优于商业Pt/C催化剂(约100 mV)和其他报道的非贵金属催化剂。高稳定性:在100 mA/cm2条件下连续运行1300小时,性能衰减可忽略,远超同类材料(通常100小时)。全水分解应用:以WN-NiN/CFP为阴极、NiFe-LDH为阳极组装电解槽,在1.8 V电压下实现100 mA/cm2的电流密度,且稳定运行超500小时。研究意义理论创新:首次提出通过界面电子捕获同时调控多中间体键合亲和力的策略,为理性设计高效电催化剂提供了新范式。技术突破:WN-NiN/CFP催化剂在活性与稳定性上达到国际领先水平,推动了非贵金属催化剂在工业电解水中的应用前景。可持续能源:该研究为低成本、高效率的氢能生产技术奠定了基础,有助于加速全球能源结构向清洁化转型。文献信息:Customizing Bonding Affinity with Multi-Intermediates via Interfacial Electron Capture to Boost Hydrogen Evolution in Alkaline Water Electrolysis. Angewandte Chemie International Edition, 2024.DOI: 10.1002/anie.202414518
时间:2026-01-13 16:40:22
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