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《时点2》:谢毅院士:Ostwald ripening助力能源转化

能源与环境是与我们息息相关的话题,而二者的矛盾就目前看来似乎尖锐而不可调节,但是,它们中间有着一个神奇的平衡点——清洁能源。其中,具有高效率的电解水产氢便是公认的获取清洁能源(氢能)方法中的“佼佼者”,然而,不给力的氧析出(OER)半反应却成为了氢能源利用旗帜后面的一个巨大拖油瓶。如何通过合适的催化剂加速这个过程来达到商业级生产氢能便成为了让科学家们头疼的问题。毕竟目前好用的(RuO2和IrO2)很贵,易生产的(三维的过渡金属化合物)效果又不好。于是,一向致力于能源发展的谢毅院士组便利用着Ostwald ripening效应来追求OER催化剂性价比的极致。

提到催化剂,无非是两个关键词——活性和位点。前者基本取决于物质本身的性质,后者则很大程度上来源于结构的特点。在种类上,谢毅院士组选择了比表面积大、催化性能高且廉价的过渡金属化合物膜作为原料来解决催化活性的问题,但是表面的氧化却屏蔽了膜的活性位点。研究者们为解决这个问题而引入了缺陷和微孔,但是却由于缺陷处的位阻效应和大孔带来的结构脆化又导致了催化剂效果降低和不能长久使用的新问题。因此,一个高效的催化剂结构所具有的特征应该是:具有大量分布均匀的纳米孔结构的超薄单晶纳米层,又名纳米网。

 

氢析出

 

在这个工作中,中科大谢毅院士组利用了Ostwald ripening效应中“大鱼吃小鱼”的效果,使刻蚀得到的小孔分解出原子而不断增大,而大孔则不断键合原子而减小孔径,最终达到一个孔尺寸均匀的平衡。具体使用的原料是薄层的Ni–Al层状双氢氧化物,最初孔的来源则是水热过程中强碱刻蚀导致的Al原子和少量Ni原子的溶解,如图a所示。初步的理论计算表明孔越大越不稳定,也就越容易缩小,而刻蚀又会增加孔的尺寸,这表明这个Ostwald ripening的过程是热力学支持的。因此,他们也利用透射电子显微镜(TEM)观察到了在不同反应时间下符合Ostwald ripening过程的孔径大小的变化。而接下来的氧析出性能测试也表现出了它应有的姿态:高催化电流、低过电势、小的塔菲尔斜率和高交叉频率以及长达一年的稳定性。而这些则来自于其结构所带来的巨大优势(如图b):二维超薄结构为离子作用提供了巨大的比表面积;高密度均匀分布的纳米孔结构提供了大量活性位点;孔结构作为离子渗透通道使更多材料表面能够参与反应;单晶性质加快了电荷传输;均匀的纳米网结构为氧化还原反应提供了缓冲区,保证电化学稳定性。

这样一个廉价且性能突出的二维多孔材料无疑为电解水工业带来了巨大的福音,同时该工作也为未来的材料设计领域添加了浓墨重彩的一笔(具体参观路线:http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201604765/full)。

 

参考文献:

Xie J, Zhang X, Zhang H, et al. Intralayered Ostwald ripening to ultrathin nanomesh catalyst with robust oxygen‐evolving performance. Adv. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.201604765.

Link:www.materialsviewschina.com/2017/03/24232/

地址:湖北省武汉市武昌区珞珈山,武汉大学化学与分子科学学院,化北 118 & 化东 101/201

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