清华大学王定胜Adv. Mater.:单原子钨碳催化剂助力电化学析氢


【引言】

氢气被认为是极有前景的清洁能源之一,为了能够从水中有效地获取氢能源,电化学析氢反应(HER)是一个十分重要的途径。传统的铂基电析氢催化剂尽管表现十分优异,但其商业化过程受限于铂元素稀少的储量和高昂的价格。因此,设计开发具有高效析氢性能、原料储量丰富的替代催化剂成为必然。近年来,用于电化学析氢过程的过渡金属催化剂体系受到人们广泛的关注。在该类材料中,钨基催化剂(WCx, WNx, WPx, WSx等)因其独特的性能而吸引了研究者的目光,但使用其替代传统贵金属催化剂,仍存在一些瓶颈。

【成果简介】

近日,清华大学王定胜教授(通讯作者)Advanced Materials期刊上发表了题为“Single Tungsten Atoms Supported on MOF-Derived N-Doped Carbon for Robust Electrochemical Hydrogen Evolution”的研究论文。在本文中,研究人员设计并合成了一种MOF衍生的氮掺杂碳材料负载单原子钨催化剂(W-SAC),用于碱性条件下高效、稳定的电化学催化析氢过程。在10 mA/cm2的电流密度下,该催化剂的过电势可达85 mV,且Tafel斜率仅53 mV/dec,其在0.1M KOH电解质中的析氢性能可与商业化的Pt/C催化剂相媲美。通过球差校正透射电子显微镜(HAADF-STEM)和同步辐射X-射线吸收精细结构谱学(XAFS)等表征手段,研究人员证明了催化反应的活性位点是以W1N1C3的形式存在于体系中。

【图文导读】

1 催化剂合成示意图

2 透射电镜及能谱表征

(A, B) 材料的TEM照片;

(C) 材料的EDS能谱图像;

(D) 材料的单原子HAADF像。

图3 X-射线吸收精细结构谱学表征

(A) W-L3边XANES曲线;

(B) W-SAC在W L3-边的k3-weight FT-EXAFS 曲线;

(C) W-SAC和标准品的WT-EXAFS伪彩图;

(D) W-SAC在W L3-边的 k3-weight FT-EXAFS拟合曲线;

(E) W-SAC中单原子W的模型。

图4 0.1 M KOH下催化剂的电催化性能表征

(A) W-SAC的HER极化曲线(5 mV/s);

(B) W-SAC , WC, WN, 20% Pt/C过电势对比 ;

(C) Tafel斜率对比;

(D) Nyquist 图对比;

(E) W-SAC TOF值;

(F) W-SAC催化稳定性测试。

5 理论模拟和计算

(A) 氢气在W-SAC, WC, WN, N-doped graphene上吸附的吉布斯自由能(∆GH*);

(B) W-SAC在平行于xy平面上的差分电荷密度(定义差分电荷密度为W原子掺杂与否的局部电子密度变化程度,红色和蓝色分别对应升高和降低;原子颜色:灰色:碳, 蓝色:氮, 酒红色:钨)。

【小结】

本文报道了一种用于碱性环境下催化电化学析氢的单原子钨催化剂,且该体系在酸碱电解质中均可表现出较高的催化活性和稳定性。同时,研究人员也揭示了催化体系中的钨单原子局部结构,并通过DFT理论计算等证明了W1N1C3位点在催化过程中的重要性。研究人员通过发现和合成第一例钨单原子催化剂,为研究替代贵金属基的电析氢催化剂提供了更多选择和思路。

文献链接:Single Tungsten Atoms Supported on MOF-Derived N-Doped Carbon for Robust Electrochemical Hydrogen Evolution. (Adv. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adma.201800396)

本文由材料人编辑部新人组陈明曦编辑,赵飞龙审核,点我加入材料人编辑部

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