近日，我所催化基礎(chǔ)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室二維材料與能源小分子轉(zhuǎn)化創(chuàng)新特區(qū)研究組（05T6組）鄧德會研究員團(tuán)隊(duì)以鎧甲催化劑為電極，構(gòu)建了高效穩(wěn)定的電解水解耦裝置。該工作為電力削峰填谷策略提供了新思路。
高效穩(wěn)定的電解水解耦裝置為電力削峰填谷策略提供了新思路
解耦電解水是一種有潛力的削峰填谷策略，可以將用電低谷期的過剩電力利用起來，在用電高峰期實(shí)現(xiàn)氫氣的低能耗制備。這一策略可以緩解電力生產(chǎn)與消耗之間存在的時(shí)空不平衡，對實(shí)現(xiàn)電能的高效利用具有重要意義。目前，構(gòu)建高效、大容量的解耦裝置仍存在挑戰(zhàn)。因此，亟需開發(fā)新型高性能的解耦裝置，實(shí)現(xiàn)過剩電力向氫能的高效轉(zhuǎn)化。
本工作中，團(tuán)隊(duì)提出以石墨烯封裝鈷鎳顆粒的鎧甲催化劑為電極，多硫化物離子為氧化還原介質(zhì)構(gòu)建電解水解耦裝置。此裝置在用電低谷期將過剩電力儲存為還原態(tài)多硫化物離子的化學(xué)能，在用電高峰期氧化多硫化物離子，實(shí)現(xiàn)氫氣的低能耗制備。在電流密度為100mA/cm2的恒電流測試中，該產(chǎn)氫解耦裝置的總電位僅為0.82V，是目前所報(bào)道的解耦裝置的最低值。相比于直接全解水，該裝置有效降低制氫電位1.24V，可節(jié)約高峰期產(chǎn)氫用電60.2%。在鎧甲催化劑的高效催化下，解耦裝置在500mA/cm2的大電流密度下持續(xù)穩(wěn)定產(chǎn)氫500小時(shí)，展現(xiàn)出高達(dá)2.5 105mAh/cm2的產(chǎn)氫容量。此外，該團(tuán)隊(duì)還與青島理工大學(xué)關(guān)靜副教授合作，結(jié)合理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)，鎧甲催化劑的優(yōu)異活性源于金屬內(nèi)核和石墨烯殼層上的氮原子對石墨烯殼層電子結(jié)構(gòu)的協(xié)同調(diào)變，從而促進(jìn)了多硫化物在石墨表面上的高效還原。該工作為電網(wǎng)系統(tǒng)的削峰填谷提供了新的思路，有望應(yīng)用于智能電網(wǎng)的構(gòu)建。
鄧德會團(tuán)隊(duì)近年來圍繞團(tuán)隊(duì)前期在國際上率先提出的“鎧甲催化”概念，在鎧甲催化劑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和催化反應(yīng)調(diào)控方面，開展了系統(tǒng)的研究（Angew. Chem. Int. Ed.，2013；Angew. Chem. Int. Ed.，2014；Energy Environ. Sci.，2014；Angew. Chem. Int. Ed.，2015；Nature Nanotech.，2016；Energy Environ. Sci.，2016；Adv. Mater.，2017；Adv. Mater.，2019；Energy Environ. Sci.，2020；Adv. Mater.，2020）。
相關(guān)研究成果以“Highly Efficient Conversion of Surplus Electricity to Hydrogen Energy via Polysulfides Redox”為題，于近日發(fā)表在The Innovation上。該工作得到了科技部國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金委基礎(chǔ)科學(xué)中心和重大項(xiàng)目、教育部能源材料化學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心（2011 iChEM）等項(xiàng)目的支持。
