北理工團隊在超低電壓下實現工業級電流密度產氫方面取得重要進展
發布日期：2025-01-02 供稿：化學與化工學院 攝影：化學與化工學院
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近日，北京理工大學化學與化工學院馮廣特別研究員、黃志琦教授團隊在超低電壓下實現工業級電流密度產氫方面取得重要進展。相關研究成果以“High-Entropy Alloy Nanoflower Array Electrodes with Optimizable Reaction Pathways for Low-Voltage Hydrogen Production at Industrial-Grade Current Density”為題目，發表在國際頂級期刊《Advanced Materials》（DOI: 10.1002/adma.202416200）。北京理工大學馮廣特別研究員、黃志琦教授和北京大學夏定國教授為共同通訊作者，化學與化工學院碩士研究生李少波和侯鈺瑩為共同第一作者，北京理工大學為第一通訊單位。
利用可持續能源發電進行電解水制氫（OWS）被認為是替代化石能源制取高純綠氫切實可行的手段。但由于其陽極析氧反應（OER，1.23 V vs. RHE）是一個復雜的四電子轉移過程，反應動力學緩慢，導致相對較高的工作電壓（>1.6 V）才能達到工業級電流密度（1000 mA cm-2），所帶來的高昂電力成本以及過度依賴貴金屬基催化劑限制了OWS技術的大規模應用。近年來研究表明，采用熱力學上更有利的肼氧化反應（HzOR）代替緩慢的陽極OER是實現低電壓、高效制氫的一種有效的策略。但目前肼氧化輔助產氫（OHzS）系統所依賴的電催化劑存在一些固有的局限性，特別是組成和結構簡單，本征活性有限。此外，現有關于OHzS系統機理的研究主要集中在一種反應途徑上，未能全面反映反應過程的復雜性和真實性。目前，高熵合金（HEA）催化劑因其獨特的物理化學性質已發展成為最熱門的催化劑之一。然而，高熵合金的潛在催化性能尚未得到充分挖掘。特別是，大多數研究集中在粉體高熵合金催化劑上，在工業級電流密度下，這些催化劑往往會從基底上脫落，造成活性急劇下降。由于合成挑戰，精確構建具有更明顯優勢的一體化自支撐高熵合金納米片或納米花陣列電極還很少被報道。
基于前期研究工作基礎（Feng G, et al, Adv. Mater., 2024, 36, 2309715; Feng G, et al, Nat. Commun., 2019, 10, 4514; Feng G, et al, J. Am. Chem. Soc., 2021, 143, 17117; Feng G, et al, J. Am. Chem. Soc., 2023, 145, 11140; Feng G*, Huang ZQ*, et al, Energy Rev. 2025, 4, 100105），本工作創新性地構筑了NiCoMoZnCu高熵合金納米花陣列（HEANFA）電極，其具有豐富的高活性位點和可優化的反應路徑，在超低電壓下實現了工業級電流密度產氫。在堿性HER和HzOR中均具有極為優異的催化活性。當采用HEANFA同時作為OHzS系統的陰極和陽極時，該系統表現出空前的產氫性能，分別僅需0.260、0.376和0.646 V的超低工作電壓即可實現500、1000和2000 mA cm-2的工業級電流密度，相比于同等條件下電解水制氫系統節省電壓1.5V以上，而且顯著優于目前報道的其他OHzS系統以及其他小分子氧化輔助制氫體系。
DFT計算表明，HEANFA在整個OHzS系統中的突出性能歸功于其在HER和HzOR中豐富的高活性位點以及可優化的反應路徑，尤其是在HzOR過程中實現了關鍵中間產物的智能化遷移，從而優化反應路徑，將非活性位點轉化為高活性位點。本工作不僅首次構建了HEANFA電極，實現了工業級電流密度下超低電壓制氫，而且為高熵催化劑在能源相關領域中的其他獨特催化特性的揭示提供了重要參考。
圖1 NiCoMoZnCu HEANFA的形貌和結構表征圖。
圖2 NiCoMoZnCu HEANFA對OHzS的電催化性能。
圖3 HER和HzOR的DFT計算結果。
本研究得到了國家自然科學基金和北京理工大學青年教師學術啟動計劃項目的資助及北京理工大學分析測試中心的支持。
文章鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202416200
附課題組成員簡介：
馮廣，北京理工大學化學與化工學院特別研究員，博士生導師。主要從事電解水制氫、電化學重整耦合制氫以及氫燃料電池等新能源轉換技術中新型高效納米催化劑/電極的設計與構筑、電解池和燃料電池等高效器件搭建及性能調控、氣液固三相界面催化反應機理研究等。近幾年發表SCI論文20余篇，包括以第一作者/通訊作者身份發表在Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc.(2篇), Adv. Mater.(2篇), Angew. Chem., Int. Ed., Energy Rev., Adv. Sci.等國際期刊10余篇，其中ESI高被引論文4篇，熱點論文2篇，期刊封面論文1篇。申請國家發明專利3項，實現成果轉化1項。主持國家自然科學基金和北京理工大學青年教師學術啟動計劃各1項，參與國家自然科學基金2項。
黃志琦，北京理工大學化學與化工學院準聘教授，博士生導師。主要聚焦電催化二氧化碳還原、電解水等反應體系，圍繞氣-固-液三相界面微觀、介觀反應動力學開展研究。迄今為止在國際權威雜志發表SCI學術論文40余篇，其中以通訊/第一作者在Nat. Commun.（3篇）、J. Am. Chem. Soc.（2篇）等期刊發表論文10余篇，總被引近1400次，單篇最高被引319次。主持國家自然科學基金和北京理工大學青年教師學術啟動計劃項目。
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