中國海洋大學(xué)孟祥超教授JMCA：焦耳熱快速加熱制備高效裂解海水析氫電催化劑. 【文章信息】 焦耳熱快速加熱制備高效Mo基電催化劑用于電催化裂解海水產(chǎn)氫 第一作者：趙展 通訊作者：孟祥超 單位：中國海洋大學(xué) 【研究背景】 環(huán)境污染和能源短缺危機(jī)促使人們開始關(guān)注可再生氫能源(H2)的研究。電化學(xué)海水裂解制氫已成為最有前途的制氫策略之一，以地球上豐富的W、Fe、Co、Ni、Mo等過渡金屬合理構(gòu)建電催化劑成為研究前沿。然而這些催化材料通常是由傳統(tǒng)的熱解法所制備，具有低效耗時(shí)且耗能的缺點(diǎn)。并且面臨著長時(shí)間加熱所導(dǎo)致的氧化，團(tuán)聚等負(fù)面影響。本文利用焦耳熱快速加熱制備出高性能析氫催化材料，通過60秒的加熱即可完成MoNi合金/氧化鉬復(fù)合材料的制備，可以有效地催化堿性海水介質(zhì)中的析氫反應(yīng)(HER)。 【文章簡介】 近日，中國海洋大學(xué)的孟祥超教授團(tuán)隊(duì)利用焦耳熱快速加熱合成的MoNi4/MoOx表現(xiàn)出了極佳的HER性能，僅需15 mV 的過電位即可達(dá)到 10 mA·cm-2 的電流密度，甚至在高電位下（1 A·cm-2）僅需227 mV，優(yōu)于傳統(tǒng)煅燒法合成的催化劑。這歸因于快速加熱所引起的催化劑形貌，Mo元素價(jià)態(tài)的變化以及快速加熱產(chǎn)生的缺陷。同時(shí)超快的加熱方法節(jié)省了大量的能源，加快了催化劑的制備速度。本文成果突出了焦耳熱快速加熱在開發(fā)用于電化學(xué)能源領(lǐng)域催化劑方面的獨(dú)特潛力。
【本文要點(diǎn)】 要點(diǎn)一：快速加熱節(jié)時(shí)節(jié)能 通過快速的焦耳熱加熱方法，可以實(shí)現(xiàn)在室溫下以67℃/s的升溫速率瞬間達(dá)到目標(biāo)反應(yīng)溫度。同時(shí)，超短的處理時(shí)間不僅使合成過程更加高效，也意味著更低的能耗，僅為傳統(tǒng)煅燒方法的0.12%。 要點(diǎn)二：MoNi4/MoOx的形貌分析 MoNi4/MoOx展現(xiàn)出密集的棒狀納米棒結(jié)構(gòu)，盡管與傳統(tǒng)加熱合成的催化劑形態(tài)相似，但生成的MoNi4納米顆粒較小，平均直徑達(dá)到了46納米。同時(shí)展現(xiàn)出了更大的比表面積。因此更有利于電解質(zhì)的擴(kuò)散以及提供更多的電化學(xué)活性位點(diǎn)。 要點(diǎn)三：電催化裂解海水產(chǎn)氫 焦耳熱快速加熱合成的催化劑僅需15 mV 的過電位即可達(dá)到 10 mA·cm-2 的電流密度，甚至在高電位下（1 A·cm-2）僅需227 mV，優(yōu)于傳統(tǒng)煅燒法合成的催化劑以及商業(yè)鉑碳。同時(shí)該催化劑也表現(xiàn)出了優(yōu)異電化學(xué)性能以及穩(wěn)定性（1000小時(shí)穩(wěn)定性測試無明顯衰減）。并且構(gòu)成的堿性海水電解槽（AEM）也具有優(yōu)異的活性。基于催化劑優(yōu)越的析氫性能，本研究將MoNi4/MoOx//RuO2電解槽與自制太陽能電池串聯(lián)，組裝為太陽能輔助堿性海水制氫裝置。組裝裝置產(chǎn)生了高達(dá)11.28%的STH效率，優(yōu)于商業(yè)鉑碳以及氧化釕的組合，為零耗能產(chǎn)氫提供參考與借鑒。 相關(guān)工作得到了國家自然科學(xué)基金、山東省泰山學(xué)者青年項(xiàng)目、山東省自然科學(xué)基金及中石大新能源科技有限公司科技協(xié)作與開發(fā)等項(xiàng)目的資助。 【文章鏈接】 Rapid Synthesis of Efficient Mo-based Electrocatalyst for Hydrogen Evolution Reaction in Alkaline Seawater with 11.28% STH Efficiency https://doi.org/10.1039/D3TA01522J 【通訊作者簡介】 孟祥超教授簡介：中國海洋大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師。本科畢業(yè)于中國海洋大學(xué)，碩士和博士畢業(yè)于加拿大渥太華大學(xué)。之后，作為兼職助理教授在加拿大渥太華大學(xué)任教，以博士后的身份在加拿大滑鐵盧大學(xué)從事研究工作。2019年全職加入中國海洋大學(xué)。主要研究方向：光電催化裂解海水制氫；光催化/電催化CO2還原、固氮及新型光電催化反應(yīng)器設(shè)計(jì)及開發(fā)。在光電催化領(lǐng)域發(fā)表學(xué)術(shù)論文60余篇。 課題組網(wǎng)頁：https://www.x-mol.com/groups/Meng_Xiangchao 【第一作者介紹】 趙展，男，中國海洋大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院在讀碩士生。研究方向?yàn)樾滦碗姶呋呀夂Ｋ呋瘎┑脑O(shè)計(jì)與合成。
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原位科技焦耳加熱裝置介紹：
通過該裝置，針對導(dǎo)電材料，科學(xué)家可利用其自身的焦耳效應(yīng)，對其施加電氣環(huán)境；針對非導(dǎo)電材料，則可通過我司配備的各類耐高溫極速加熱樣品臺進(jìn)行加熱，從而使材料在極短的時(shí)間內(nèi)（0~10 S）達(dá)到極高的溫度（1000~3000 ℃），升溫速率最快可達(dá)到10000k/s。
通過對材料的極速升溫，可考察材料在極端環(huán)境、劇烈熱震情況下的物性改變。該產(chǎn)品目前廣泛應(yīng)用在電池、催化、陶瓷、金屬材料等領(lǐng)域，可通過極速升降溫制備納米尺度顆粒，單原子催化劑，高熵合金等。
裝置可定制電氣環(huán)境及真空系統(tǒng)。配件包含：控制柜、真空腔、電極、真空泵、高溫樣品臺、測溫探頭、適配線纜。
