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铜基分解水制氢双功能催化剂取得进展

( 2015-03-28 )

  我系杜平武教授课题组利用铜基材料用于催化分解水制氢–3月6日在美国化学会(ACS)旗下著名催化学术期刊ACS Catalysis发表。该工作利用铜离子氧化还原共沉淀的性质巧妙地在导电玻璃上生长混合价的铜基双功能催化剂,既能催化水的还原制氢,又能催化水氧化,实现了催化水的全分解。(ACS Catalysis, 2015, 5 (3), pp 1530–1538; DOI: 10.1021/cs501480s)。

  当前,随着化石能源原料的日渐消耗和温室效应的日渐显著,发展绿色、清洁、可持续的能源显得尤其紧迫。氢气是一种非常清洁,环境友好的能量载体,属于可再生的能源。氢能利用过程中,氢气被氧化,产生的唯一废料就是水,而产生的水又可以被重复用作原料制氢。因此,电能或者太阳能转化为氢能是未来人类活动理想的能量转化途径。催化剂在水分解制氢过程中起着非常重要的作用,包括降低反应势垒,减少能耗,增加反应效率和速率等(Energy & Environmental Science 2012, 5, 6012-6021)。

    该研究组前期发现通过铜配合物前驱体或者无机铜盐可以有效的合成异相氧化铜催化剂,用于催化水氧化(Electrochemistry Communications, 2014, 46, 1-4; Electrochimica Acta, 2015, 160, 202-208)。基于前期工作,通过改变催化沉积的条件,成功制备了混合价的铜基催化剂电极。在近中性电解质条件下,催化剂可以实现水的电催化还原制氢(过电势 <400 mV),又能催化水氧化(过电势 <490 mV),催化过程的法拉第电流效率均 > 97%。该工作是首次证明铜基材料的在水分解制氢方面的双功能催化性质,因此实验上对于发展低成本能源催化材料具有重要的意义。审稿人认为“This is very interesting in this catalyst composite which not only possess bifunctional but also can be switchable. This catalyst composite can be applied in water-splitting for clean energy hydrogen and oxygen.”;“This paper reported that a series of water-soluble copper complexes can be prepared the copper-based bifunctional catalyst that can be produced both hydrogen and oxygen.…it’s a nice work”。

    论文第一作者为博士生刘香。上述研究工作受到中组部青年千人计划、能源材料化学协同创新中心、国家自然科学基金委面上项目、新世纪优秀人才等的支持。

论文链接:http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/cs501480s


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