金属磷化物电催化分解水制氢气

中国科学院理化技术研究所   金属有机光化学实验室

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项目简介

氢能作为一种新型能源不仅具有高清洁性,而且热值高,大约是汽油的3倍,焦炭的4.5倍,具有广阔的应用前景。目前,工业上制氢多采用天然气制氢和煤制氢(占比约为80%),然而这两种制氢方式对天然气和煤炭的依赖度高,与零排放的本质有悖。电解水制氢是最有望实现零排放的制氢技术,其原料为水,且如果能实现风电、光电技术与电解水制氢的串联,整个过程将不涉及任何碳排放。电解水制氢的原料成本低,且制得的氢气具有极高纯度(99.98%),比其它方法制得的氢气纯度高,大大降低了氢气的纯化成本。金属磷化物具有类金属的性质,对氢的吸附能适中,在酸性或者碱性电解液中均表现出优异的析氢活性和稳定性。目前,Pt电极在1.0 M KOH中达到10 mA cm-2电流密度通常需要40~90 mV过电位。现阶段,我们在实验室已经可以制备出Ni2P,CoP,FeP,Cu3P等多种具有优异水分解活性的廉价过渡金属磷化物。比如我们制备的三维自支撑Cu3P在1.0 M KOH中表现出HER和OER的双功能性,对于析氢反应,实现222 mV过电位达到10 mA cm-2的电流密度,法拉第效率近似100%且可以稳定10 h以上。

应用领域

当前工业上电解水催化剂主要是Pt基和Ir基贵金属催化剂,这无疑大大增加了制氢成本,限制了电解水制氢技术的工业推广。过渡金属磷化物由于价格低廉和制备简单的特点,有望替代贵金属成为工业电解水催化剂。一方面,磷化物同时具备高效的水还原和水氧化活性,一种催化剂既可以同时满足阳极和阴极的需求,降低了催化剂制备的成本和繁琐度。另一方面,直接生长在多孔金属泡沫电极上的磷化物,有助于电流密度的大大提高。因此采用磷化物电解水制氢有望降低电解水制氢的成本和加快高清洁的氢能产业链的推进。

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