​侯琳熙课题组AFM:引入W位点,有效促进Ni基配位聚合物催化HER和UOR

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尿素辅助水电解制氢(H2)理论上可以节省70%的阳极能耗。利用人类生活产生的含尿素废水,通过电解水制H2具有节能和环境友善的特点。Ni基电催化剂在尿素辅助电解水制氢技术中具有广阔的应用前景。然而,在尿素氧化反应(UOR)过程中,其活性受到不可避免的Ni物种自氧化以及溶解的限制,且尿素过度氧化产生的有害液相产物(NOx)往往被忽略。因此,在探索对UOR具有优异活性和稳定性的Ni基催化剂的同时,系统分析动力学窗口内的气液相产物也同样重要。

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近日,福州大学侯琳熙课题组利用钨(W)的多功能配位属性,结合其在析氢反应(HER)中固有的催化能力,来精确调节镍(Ni)的电子构型。具体而言,研究人员采用溶剂热法制备了自支撑的W掺杂含Ni3+位点的Ni基配位聚合物(W-NT@NF),配体TCA能够强烈锚定Ni3+位点和W能够对Ni的电子结构进行调控,使得所制备的W-NT@NF催化剂具有与已报道的贵金属/非贵金属化合物相当的双功能HER和UOR性能,均达到接近1000 mA cm-2的高电流密度。

同时,在较低的电流密度(<100 mA cm-2)下,N2的法拉第效率(FE)较高(34%),并且在长期电解过程中,NOx的FE保持在20%以下。

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实验结果和理论计算表明,对于UOR,W掺杂促进了Ni电子密度态的重新分布,降低了活性位点的d带中心,优化了催化剂与中间产物之间的亲和力,同时该反应不涉及Ni的自氧化,有助于提高尿素的分解效率。

此外,随着W的加入,W-NT@NF中W位点的ΔGH*值接近0 eV,W位点与Ni3+位点具有协同作用,加速了HER动力学。总的来说,该项工作系统地研究了基于配位聚合物的新型双功能HER和UOR催化剂的催化性能和机理,为可持续电化学体系催化剂的设计和制备提供了新的思路。

Active Site Tailoring of Ni-Based Coordination Polymers for High-Efficiency Dual-Functional HER and UOR Catalysis. Advanced Functional Materials, 2023. DOI: 10.1002/adfm.202310155



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