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上海光源用户在电催化分解水研究领域取得重大突破
发布时间：2016-04-06
近日，华东理工大学理学院物理系青年教师张波，利用上海光源BL14W1线站原位XAFS技术，在电催化分解水领域取得重大突破，相关研究成果，以Report研究论文的形式，发表在国际顶尖期刊《Science》杂志上。（Science 24 Mar. 2016, DOI: 10.1126/science.aaf1525）
电解水技术被认为是存储太阳能发电和风力发电等间歇式电能的关键技术，包括阴极析氢（Hydrogen evolution，HER）和阳极产氧（Oxygen evolution，OER）两个半反应。其中产氧反应由于存在多种高能量的中间态，在无外加能量或无外加明显过电位的情况下，这一复杂的多步多电子反应将很难发生，因此，即使采用高活性的贵金属催化剂，仍需很高的电压驱动电解水反应，能源转换效率偏低。以多金属协同催化机制为导向，研究人员发展了一种室温下溶胶-凝胶合成方法，得益于溶胶状态下各金属原子的均相混合，和无后续加热处理的保护，突破了由于不同金属氧化物晶格不匹配导致相分离的障碍，最终催化剂材料保持了Fe、Co和W多金属氧化物/氢氧化物的原子尺度上的均相分散性，极大地提升了不同金属原子间的相互作用。实现了产氧电催化剂性能的大幅提升，本征质量比活性和TOFs(turnover frequency)是目前已报道最优催化剂材料的三倍有余，电能向化学能的转化效率由70%提高到80%以上。
为了建立多元过渡金属间相互影响的局部配位环境、成键方式以及电子结构等，与催化剂活性的关系，进而阐明多元金属的协同催化机制，研究小组在上海光源BL14W1线站对无定型的FeCoW金属氧化物/氢氧化物和一系列对比样品进行了电化学原位XAFS实验。结果表明，在施加氧化电位过程中，最优催化剂相较其他样品，第一壳层Co-O键和Fe-O键明显变短趋势，高价态Co比例明显增加，呈现MO6八面体配位构型，这些信息为DFT建立模型研究催化机理奠定了精确的实验基础，同时W L-edge XANES 结果分析表明，相较相分离的对比样，均分散体系中，W的电子结构亦受Fe和Co的影响。这些结果表明，均相分布的多金属氧化物/氢氧化物中，通过氧桥连的金属原子间电子结构的相互影响和协同作用更为明显、有效。
该工作得到了该领域全球多位权威专家的认可，加州大学伯克利分校化学系的表面催化专家Gabor A. Somorjai教授，耶鲁大学能源研究中心主任Gary Brudvig教授，和MIT的环境与能源领域专家JeffreyC.Grossman教授均对该工作给予了很高的评价，认为该工作所发展的材料制备技术解决了多元金属氧化物相分离的技术难题，开辟了一条推动能源转换与存储领域快速发展的新通道，精彩展现了理论预测与实验验证结合的魅力。同时，Phys.org, Newswise, NanotechWeb, The Globe and Mail、多伦多大学新闻网、华东理工大学新闻网和中国科学报等媒体抢先报道该研究成果。
全文链接：http://science.sciencemag.org/content/early/2016/03/23/science.aaf1525
电解水技术被认为是存储太阳能发电和风力发电等间歇式电能的关键技术，包括阴极析氢（Hydrogen evolution，HER）和阳极产氧（Oxygen evolution，OER）两个半反应。其中产氧反应由于存在多种高能量的中间态，在无外加能量或无外加明显过电位的情况下，这一复杂的多步多电子反应将很难发生，因此，即使采用高活性的贵金属催化剂，仍需很高的电压驱动电解水反应，能源转换效率偏低。以多金属协同催化机制为导向，研究人员发展了一种室温下溶胶-凝胶合成方法，得益于溶胶状态下各金属原子的均相混合，和无后续加热处理的保护，突破了由于不同金属氧化物晶格不匹配导致相分离的障碍，最终催化剂材料保持了Fe、Co和W多金属氧化物/氢氧化物的原子尺度上的均相分散性，极大地提升了不同金属原子间的相互作用。实现了产氧电催化剂性能的大幅提升，本征质量比活性和TOFs(turnover frequency)是目前已报道最优催化剂材料的三倍有余，电能向化学能的转化效率由70%提高到80%以上。
为了建立多元过渡金属间相互影响的局部配位环境、成键方式以及电子结构等，与催化剂活性的关系，进而阐明多元金属的协同催化机制，研究小组在上海光源BL14W1线站对无定型的FeCoW金属氧化物/氢氧化物和一系列对比样品进行了电化学原位XAFS实验。结果表明，在施加氧化电位过程中，最优催化剂相较其他样品，第一壳层Co-O键和Fe-O键明显变短趋势，高价态Co比例明显增加，呈现MO6八面体配位构型，这些信息为DFT建立模型研究催化机理奠定了精确的实验基础，同时W L-edge XANES 结果分析表明，相较相分离的对比样，均分散体系中，W的电子结构亦受Fe和Co的影响。这些结果表明，均相分布的多金属氧化物/氢氧化物中，通过氧桥连的金属原子间电子结构的相互影响和协同作用更为明显、有效。
该工作得到了该领域全球多位权威专家的认可，加州大学伯克利分校化学系的表面催化专家Gabor A. Somorjai教授，耶鲁大学能源研究中心主任Gary Brudvig教授，和MIT的环境与能源领域专家JeffreyC.Grossman教授均对该工作给予了很高的评价，认为该工作所发展的材料制备技术解决了多元金属氧化物相分离的技术难题，开辟了一条推动能源转换与存储领域快速发展的新通道，精彩展现了理论预测与实验验证结合的魅力。同时，Phys.org, Newswise, NanotechWeb, The Globe and Mail、多伦多大学新闻网、华东理工大学新闻网和中国科学报等媒体抢先报道该研究成果。
全文链接：http://science.sciencemag.org/content/early/2016/03/23/science.aaf1525
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