近日，華東理工大學材料科學與工程學院清潔能源材料與器件團隊在陰離子交換膜電解水制氫催化劑領域取得重要進展，相關成果以“Oxygen Plasma Triggered Co-O-Fe Motif in PrussianBlue Analogue for Efficient and Robust Alkaline Water Oxidation”為題，在線發(fā)表于國際權威期刊Angewandte Chemie International Edition。
利用可再生能源驅動電解水制氫被認為是實現(xiàn)“碳中和”目標的重要手段之一。在眾多電解水技術中，陰離子交換膜電解水（AEMWE）制氫技術在氫氣純度、電解效率、制氫速率、冷啟動時間等方面具有優(yōu)勢，同時可以擺脫催化電極及槽體對貴金屬的依賴。目前，3d過渡金屬基電催化劑在堿性電解質中表現(xiàn)出優(yōu)異的催化性能。然而，在工業(yè)級電流密度條件下，這類催化劑的長期穩(wěn)定性仍然是領域內(nèi)的重要挑戰(zhàn)。
針對上述問題，華東理工大學研究團隊創(chuàng)新性地采用高功率氧等離子體處理技術，精確調(diào)控了CoFe雙金屬普魯士藍類似物（PBA）析氧催化劑的局域原子近程結構：在保留PBA晶體結構框架的同時，通過破壞局域氰基配體并引入氧原子，成功構建了Co-O-Fe的結構基元，進而將析氧反應路徑從傳統(tǒng)的吸附物演化反應機制（AEM）調(diào)節(jié)為動力學更優(yōu)的晶格氧氧化反應機制（LOM）。
研究團隊進一步利用同步輻射及原位譜學表征技術證明了局域Fe與Co位點之間的協(xié)同作用機制，即電子由Co-O-Fe結構基元向Fe位點轉移，進而促進了高價態(tài)Co活性中心形成，同時有效避免Fe位點過度氧化而溶解失活。氧等離子體處理后的PBA催化劑在工業(yè)級電流密度下表現(xiàn)出優(yōu)異的析氧反應活性和長期運行穩(wěn)定性，在電流密度為1 A cm-2時，僅需276 mV的過電位；用該催化劑為陽極材料組裝的AEMWE制氫系統(tǒng)僅需1.76 V便可達到1.0 A cm-2的制氫電流密度，并能持續(xù)運行超250 h而無明顯衰減。這項工作克服了傳統(tǒng)非貴金屬催化劑在工業(yè)級電流密度下穩(wěn)定性差的難題，為平衡催化劑活性和穩(wěn)定性的材料結構設計提供了新的思路。
