李阳光课题组在电催化析氢-氯碱工业联产研究领域取得重要进展

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通过可再生电能电解水制氢由于其原料来源广泛、清洁、能量转化效率高、产物氢气纯度高等优点成为未来工业制氢的理想途径。但其生产初期额外而昂贵的设备投入以及其工业产品的单一性，严重制约着其经济效益的提高，因此限制了其大规模实用化。将电催化析氢与传统的化工生产工艺相结合，进而实现联产，可能是解决上述难题的有效方法。众所周知，通过电解卤水生产烧碱和氯的氯碱工业是国民经济中占主导地位和不可替代的基础化工产业之一。经典的氯碱工业由两个半反应组成，即阳极的析氯反应(ClER)和阴极的析氢反应(HER)。但阴极氯碱条件下受水裂解动力学反应慢的限制，导致氯碱工业过电势显著提高，使其成为高能耗产业，每年消耗全球近10%的电能。倘若将电解水产氢与高能耗的氯碱工业相结合，实现氢气和氯碱的联产，这不仅可以有效避免产氢设备的额外投入，实现氢能高效、低成本的生产，同时还有望大幅度降低氯碱工业的能耗。然而，在氯碱工业高温、高盐、浓碱条件下，高效、低过电势、高稳定性电化学析氢催化剂的匮乏严重阻碍了该联产技术的开发。近日，东北师范大学化学学院多酸科学教育部重点实验室在该领域取得了重要突破性研究进展。

该工作是李阳光教授、谭华桥副教授和郎中玲博士的研究团队与苏州大学康振辉教授课题组共同合作完成的，第一作者是东北师范大学的博士研究生张陆南，发表于国际著名化学能源类杂志《能源与环境科学》上 (Cable-like Ru/WNO@C Nanowires for Simultaneously High-efficient Hydrogen Evolution and Low-energy Consumption Chlor-alkali Electrolysis, Energy Environ. Sci., 2019, DOI: 10.1039/C9EE01647C；IF = 33.25)。本文报道了一系列新型的电缆状由少层氮掺杂碳包覆负载少量(3.37 % wt)超小钌纳米簇的氮氧化钨纳米线催化剂（记为Ru/WNO@C）。我们结合实验结果和理论计算对电缆状Ru/WNO@C催化剂的电催化析氢活性进行了深入地探究。其中，最优催化剂 Ru/WNO@C (Ru wt%=3.37%) 在1M KOH中，当电流密度为10 mA cm-2时的过电势仅为2 mV, 是目前最好的碱性HER电催化剂。在过电势为50 mV时的电流密度高达4095.6 mA mg-1，且表现出了较小的塔菲尔斜率33mV dec-1和长时间稳定性（100 h）。特别地是，在90 oC下模拟氯碱电解液中，该催化剂表现出了明显优于传统氯碱析氢阴极低碳钢的电化学析氢活性。将该催化剂滴涂在碳纸上与工业析氯阳极（涂覆有RuO2/IrO2的钛网）组成离子膜电解池，当电流密度达到10mA cm-2时电解池的电压仅为2.48 V,比在相同条件下以低碳钢作析氢阴极的电解池的电压降低了320 mV，并且稳定运行超过25小时。

此外，通过大量的实验和理论计算共同揭示了氮氧化钨和钌纳米簇界面处的电子转移不仅可以有效地调控复合催化剂的氢吸附自由能ΔGH*而且还极大地降低了在碱性介质中催化剂的水裂解能垒，共同促进了复合催化剂在模拟氯碱工业电解液中的电化学析氢活性。电缆状复合催化剂外层的碳壳则进一步提升了催化剂在电化学过程中的导电性和稳定性。该项研究为高效、稳定的碱性析氢电催化剂的设计和制备提供了重要的参考依据，并且点亮了高经济效益、低能耗的电化学析氢-氯碱工业联产技术的发展前景。

李阳光，现任东北师范大学化学学院教授，博士生导师。校首批“东师学者”青年学术骨干。从事多酸化学研究。师从王恩波教授，获得硕士和博士学位。对新型多金属氧酸盐合成及其表面氧配位能力进行了深入研究。曾留学法国和德国2年开展博士后研究工作。目前主要科研方向是多酸化学中的手性构建与功能特性研究。从2007年-2011年，以第一作者和通讯作者发表的SCI文章48篇，包括Angew. Chem. Int. Ed.，J. Am. Chem. Soc.，Chem-Eur. J.，Chem. Commun.，Inorg. Chem.等国际著名化学杂志。编著出版学术专著二部。获吉林省自然科学学术成果一等奖一次（排名第一）。

谭华桥，东北师范大学化学学院副教授，硕士生导师，主要从事有关无机微纳米材料及多金属氧酸盐合成和催化性能研究，主持国家自然科学基金青年基金项目一项，吉林省科技厅青年基金项目一项。目前已在J. Am. Chem. Soc, Nanoscale, J. Mater. Chem.A, Chem. Commun, ACS Appl. Mater. Interfaces, Chem. Eur. J, Crystal Growth & Design., CrystEngComm., Dalton等国际著名化学杂志上发表SCI研究论文30余篇。曾获2014年吉林省优秀博士学位论文，全国第十届“挑战杯”大学生课外科技作品大赛一等奖。

康振辉，苏州大学功能纳米与软物质研究院教授，博士生导师，2017年国家自然科学基金委杰出青年基金获得者，2014年国家自然科学基金委优秀青年基金获得者，2012年中组部青年拔尖人才，2008年全国百篇优秀博士论文获得者。研究领域为材料化学，近年来的集中开展碳量子点催化特性的研究。在Science, Nature commun, Angew. Chem., J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater., Energy Environ. Sci.等国际刊物上共发表学术论文200余篇。1篇论文获评“2015年中国百篇最具影响国际学术论文”，研究成果获评“2015年度中国科学十大进展”。主持国家自然科学基金委重点/优青/面上项目、科技部973计划课题、中组部“青年拔尖人才”计划项目、教育部全国优秀博士学位论文专项基金等重要科研项目十余项。