【催化】东北师范&苏大EES：适用于氯碱电解条件的电催化剂，同时促进HER和ClER

通讯作者：郎中玲、谭华桥、李阳光、康振辉

通讯单位：东北师范大学、苏州大学

燃烧化石燃料带来的能源危机和环境污染日益严重，是当下国际社会最为重视的问题。氢气是一种洁净有应用前景的能源载体，通过电催化水裂解制备氢气是绿色、有效的技术之一。同时，工业上通过电解盐水制备烧碱和氯的氯反应是国民经济中最主要，最不可替代的基础化学工业之一。而典型的氯碱电解由两个半反应组成：分别是阳极上的氯析出反应（ClER）和阴极上的析氢反应（HER）。因此，氢气制备和氯碱电解两个反应的结合将提供一种更符合经济效益的战略，以减少氯碱工业的能源投入，同时经济有效地获得纯氢燃料。然而，这种技术缺乏在热碱性溶液中能有效且持久的析氢反应（HER）催化剂，大大限制了该更新技术的发展。

成果一览

近日，苏州大学的康振辉和东北师范大学的郎中玲、谭华桥、李阳光，共同开发了一种固定在氮氧化钨纳米线的超细钌纳米簇电催化剂（Ru/WNO@C）。该催化剂具有优异的HER性能，仅在2 mV过电位下获得10 mA cm-2的电流密度，质量活性为4095.6 mA mg-1（50 mV）；并且在氯碱电解条件下仍表现出优异的HER性能。这主要得益于该催化剂具有更适中的氢吸附自由能（ΔGH* = – 0.21 eV），以及更低的水解离能垒（ΔGB = 0.27 eV）。

图文导读

图1 Ru/WNO@C催化剂合成示意图及形貌表征

图2 Ru/WNO@C催化剂XRD及XPS表征

图3 Ru/WNO@C催化剂电化学性能表征

图4 Ru/WNO@C催化剂分子模型及DFT计算图

图5 Ru/WNO@C催化剂电化学性能表征

本文报道了一种新型的Ru/WNO@C复合纳米线电催化剂，通过简单的热解将Ru和稳定的载体WNO结合起来。

研究结果表明，Ru的加入显着降低了水解离势垒，其值仅为0.27 eV，并提供了合理的H吸附能力以提高析氢性能。在碱性溶液中表现出优异的电催化性能， 3.37％Ru负载量的Ru/WNO@C催化剂η10= 2 mV，Tafel斜率为33 mV dec-1，交换电流密度达9.09 mA cm-2，质量活性为4095.6 mA mg-1，并且具有良好的稳定性及近乎100％的法拉第效率，性能明显优于商业20％的Pt/C。

此外，Ru/WNO@C催化剂在90℃下的氯碱电解质中（3M NaCl+3M NaOH）仍保持高稳定性和优异的析氢活性。该工作将为低能耗氯碱电解和高效制氢提供有新思路。

文献信息

Cable-like Ru/WNO@C Nanowires for Simultaneously High-efficient Hydrogen Evolution and Low-energy Consumption Chlor-alkali Electrolysis

(Energy & Environmental Science，2019，DOI: 10.1039/C9EE01647C)

原文链接

https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2019/EE/C9EE01647C#!divAbstract