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超薄导电WO3纳米片在电解水产氢反应中取得重要进展

(2018-01-17)

 近日,中国科学技术大学化学与材料科学学院和合肥微尺度物质科学国家研究中心的曾杰教授课题组开发出一种高效稳定的电解水产氢(HER)催化剂。研究人员通过调控催化剂的电子结构,设计出一种具有高导电性的钨氧化物纳米片催化剂,在电解水产氢反应中表现出高活性和高稳定性,能够大幅降低成本,加快电解水产氢技术的商业化应用进程。该成果以“Conductive Tungsten Oxide Nanosheets for Highly Efficient Hydrogen Evolution”为题,发表在《纳米快报》杂志上(Nano Lett. 2017, 17, 7968-7973),论文的共同第一作者是博士研究生郑婷婷、桑炜和何志海。

氢气作为一种可再生能源,具有热值高且反应产物绿色环保的特性,被认为是未来最理想的能源形式。然而,目前电解水产氢(HER)电极催化剂多以铂为主,铂在全球储量有限且价格昂贵,在很大程度上限制了新能源技术的发展。过渡金属钨氧化物储量丰富,可以替代Pt作为HER电极催化剂,具有潜在的应用前景。但是常规的WO3由于催化位点较少、导电性较差,导致其HER性能低下,限制了其发展与应用。

针对这些问题,研究人员通过理论计算模拟钨氧化物对于氢气的吸附模型,发现当在WO3中引入适量的氧缺陷时,会导致材料从普通的半导体转变成简并半导体,而且氧缺陷多的模型中W原子对氢的吸附自由能值最接近于零。基于此,研究人员利用液相超声剥离块状WO3的方法合成具有较多氧缺陷的WO3超薄纳米片R-WO3(WO2.83),之后烧结制备出氧缺陷较少的WO3纳米片P-WO3(WO2.96)。在HER测试中,块状WO3,P-WO3,R-WO3在电流密度为10 mA·cm-2时所需要的过电位分别为245mV、148mV和38mV,即随着氧空穴增多,催化剂的HER性能逐渐增强,与理论预测一致。

通该项研究得到了国家重大科学研究计划、国家自然科学基金等项目的资助。

WO3纳米片及其HER催化性能



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