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南京大学张会刚Advanced Materials│高效N掺杂CoP助力电解析氢(HER)催化剂

氢能是未来绿色能源的重要组成部分,大多数制氢工艺依然需要石化燃料提供能量支撑或者作为前驱物,最终同样会带来污染、增加温室气体排放。电解水是一种清洁的制氢方案。但是从成本考虑,电解水的电能消耗与传统热重整工艺相比并没有明显优势。目前,贵金属催化剂高代价、电能高消耗是阻碍电解水制氢工艺发展的主要因素。

南京大学张会刚Advanced Materials│高效N掺杂CoP助力电解析氢(HER)催化剂

近日,南京大学固体微结构物理国家重点实验室、南京微结构科学与技术协同创新中心张会刚教授课题组开发了一种新型氮(N)掺杂磷化钴(CoP)高效电解水析氢(HER)催化剂。

南京大学张会刚Advanced Materials│高效N掺杂CoP助力电解析氢(HER)催化剂

该课题组选用较为低廉的Co、P、N合成了一种N掺杂的CoP纳米线阵列。通过引入N元素,CoP的电子结构得到适宜调制,其表面对氢(H)的吸附更加接近有利于HER进行的热中性(图1),获得了一种性能接近贵金属铂(Pt)的高活性电催化剂。

南京大学张会刚Advanced Materials│高效N掺杂CoP助力电解析氢(HER)催化剂

在电解水的阳极部分,张会刚课题组从节能降耗的角度出发,借助Fe2+/Fe3+氧化还原反应和H2S的吸收工艺,与阴极HER进行耦合。将电解水的电压~1.55V降低到新工艺实际槽压的0.89V,所以能够在低电能耗下同时电解析氢和回收硫资源。

南京大学张会刚Advanced Materials│高效N掺杂CoP助力电解析氢(HER)催化剂

这种耦合策略摒弃了阳极析氧反应(OER)过电位高、动力学迟缓、气体产物氧气价值低廉等劣势。

南京大学张会刚Advanced Materials│高效N掺杂CoP助力电解析氢(HER)催化剂

同时,作为该方案中的一种消耗品,H2S气体大量存在于石油/天然气田、石化冶炼副产品中,其有效的吸收、回收利用实现了变废为宝,使得该方案成为一种绿色化学/电化学制氢方案。

文献信息:

Zhou Q, Shen Z, Zhu C, et al. Nitrogen‐Doped CoP Electrocatalysts for Coupled Hydrogen Evolution and Sulfur Generation with Low Energy Consumption[J]. Advanced Materials, 2018: 1800140.

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