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質(zhì)子交換膜（PEM）電解水制氫具有高制氫速率、高氫氣純度、快速響應和緊湊設(shè)計等優(yōu)點，使其成為可再生能源制氫領(lǐng)域最有前途的技術(shù)之一。迄今為止，銥（Ir）基催化材料因其出色的穩(wěn)定性而被廣泛應用于商業(yè)化PEM水電解槽。然而傳統(tǒng)的商用PEM電解槽需要高負載量的Ir（2–4 mg/cm²）作為陽極催化劑才能滿足工業(yè)應用的需求，而Ir的低豐度和高成本在很大程度上嚴重阻礙了該技術(shù)的進一步部署。在最近的研究報道中，負載型低Ir基催化劑的穩(wěn)定性和活性在很大程度上得到提高，但這些催化劑仍然需要0.5–2 mgIrcm^-2的負載量才能使其在PEM電解槽中表現(xiàn)出令人滿意的活性和穩(wěn)定性。因此，在保持PEM水電解的活性和穩(wěn)定性的同時，將Ir負載量降低到0.5 mgIrcm^-2以下仍具有挑戰(zhàn)。

針對這一關(guān)鍵問題，材料科學與工程學院清潔能源材料與器件團隊開發(fā)了一種高效穩(wěn)定的負載型低銥電催化劑材料——多孔四方氧化鋯上負載氧化銥團簇（IrO_x/t-ZrO₂），其在三電極體系下1.6 V vs. RHE時表現(xiàn)出1464.6 A gIr^-1的高質(zhì)量活性。結(jié)構(gòu)表征、電化學分析和理論計算揭示了在IrO_x團簇上的活性晶格氧機制（LOM），由于反應過程中t-ZrO₂襯底溢出的氧物種填充而保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。通過四甲基氯化銨（TMACl）分子探針、pH依賴性、原位¹⁸O標記的電化學差分質(zhì)譜（DEMS）測試結(jié)果表明四方相t-ZrO₂負載的IrO_x/t-ZrO₂樣品遵循LOM反應機制，這種路徑使得樣品有高的OER反應活性；借助原位XAFS、原位紅外、原位拉曼和理論計算證明了氧溢流穩(wěn)定的LOM途徑，氧物種能夠從t-ZrO₂載體遷移到IrO_x位點，及時填補了失去的晶格氧，避免了可溶性*VO-IrO₄^2-中間體的產(chǎn)生，從而提高樣品的工況穩(wěn)定性。在使用IrOx/t-ZrO₂作為陽極材料的PEM電解槽測試中，僅使用0.1 mgIrcm^-2的低Ir負載量就可以在1.9 V下表現(xiàn)出3.10 A cm^-2的電流密度，并且在1600小時1 A cm^-2的電流密度下進行的穩(wěn)定性測試期間，活性衰減率僅表現(xiàn)出6.25 μV h^-1。本研究工作不僅啟發(fā)了酸性水氧化活性位點和載體之間氧物種的調(diào)節(jié)機制，而且為下一代低Ir負載量的PEM電解槽提供了參考。

該工作主要由材料科學與工程學院博士研究生方頌儒、碩士研究生楊海翔在劉鵬飛副教授、袁海洋副教授、楊化桂教授等人的指導下完成。研究工作得到了國家自然科學基金、上海市基礎(chǔ)研究特區(qū)等項目資金的支持。