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莫特-肖特基结型催化剂在安培级电流密度下实现高性能肼辅助制氢

第一作者：黄娅平，张霞

通讯作者：王春栋教授

通讯单位：华中科技大学

文章内容

氢能是解决当前能源危机和缓解环境污染问题的有效能源载体，电解水制氢是一种可靠、环保的技术，可以很容易地将水转化为清洁、可再生的氢能源。肼氧化反应（HzOR）相较于析氧反应（OER）具有更低的理论电势（−0.33 V vs. RHE），作为替代电解水的阳极端反应可以有效降低产氢电压。利用贵金属颗粒与半导体MOFs结合构筑莫特-肖特基结，界面处形成的内建电场可以调控电子再分布，从而实现高效且稳定的HER/HzOR双功能电催化剂的制备。

基于此，华中科技大学王春栋教授团队制备了一种Pt@NiFc-MOF莫特-肖特基结型双功能电催化剂，得益于界面形成的内建电场诱导电子再分布，该催化剂可用于高效催化析氢反应(HER)和肼氧化反应(HzOR)。

实验结果表明，制备的Pt@NiFc-MOF在安培级电流密度下具有优异的HzOR性能（1.0 M KOH+0.5 M N2H4溶液，1500 mA cm−2下过电位为357 mV）及HER性能（1.0 M KOH溶液，1000 mA cm−2下过电位为252 mV）。在1.0 M KOH+0.5 M N2H4溶液中，构建成双电极电解槽（Pt@NiFc-MOF||Pt@NiFc-MOF），其OHzS能在超低电池电压668 mV下实现2000 mA cm−2的电流密度，优于目前报道的大部分电催化剂，并能稳定工作120小时，产氢法拉第效率为100%。此外， Pt@NiFc-MOF能在120分钟内将溶液中肼含量降低至约6 ppb，降解效率高达99%。

理论计算表明，NiFc-MOF的功函数大于Pt NPs，差分电荷密度显示电子在Pt处积累，证实了电子由Ni向Pt转移，与实验结果一致。得益于界面处内建电场诱导电荷密度重新分布，Pt@NiFc-MOF在HER中获得最佳的△GH*，并对HzOR产生较低的能垒。

Pt@NiFc-MOF作为阳极端为液态直接N2H4/H2O2燃料电池（DHHPFC, Pt@NiFc-MOF||Pt Net）系统提供了1.686 V的稳定开路电压，明显高于Pt/C（1.597 V），其在各温度下的峰值功率密度都要高于目前报道的部分电催化剂。鉴于Pt@NiFc-MOF||Pt Net具有极高的功率密度和优异的稳定性（在工业级安培电流密度水平），构建的DHHPFC具有极大的实际工业应用潜力。

通讯作者简介

王春栋，男，华中科技大学集成电路学院/武汉光电国家研究中心双聘教授、博士生导师，华中卓越学者。2013 年毕业于香港城市大学物理与材料科学系，获博士学位；2013 年-2015 年先后在香港城市大学，香港科技大学，比利时荷语鲁汶大学担任高级助理研究员，高级副研究员，鲁汶大学 F+研究员，比利时弗拉芒政府科学基金会FWO学者。2015 年加入华中科技大学先后任副教授、教授。研究工作主要包括氢能与燃料电池、小分子氧化机制、单原子纳米酶。王春栋教授是香港城市大学优秀博士论文奖获得者，获评/聘湖北省“楚天学者”计划，根特大学访问教授。担任Advanced Powder Materials 杂志特聘编委，Rare Metals和eScience杂志青年编委。长期担任Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater.,等四十余个国际著名杂志审稿人/仲裁人，香港研究资助委员会（RGC）和国家自然科学基金评审专家。在J. Am. Chem. Soc., Energy Environ. Sci., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater.等杂志发表 SCI 论文 180 余篇，其中第一作者及通讯作者130余篇（含多篇高倍引/热点），他引1万余次， H-因子 56（谷歌学术）。作为项目负责人主持国家重点研发计划（政府间国际合作重点专项），国家自然科学基金3项（其中面上项目2项），湖北省重点研发计划等项目十余项。入选全球前2%顶尖科学家榜单（2021-2023），全球前十万科学家榜单。

课题组主页： https://www.wangcdlab.com/

原文信息

Mott-Schottky Barrier Enabling High-Performance Hydrazine-Assisted Hydrogen Generation at Ampere-Level Current Densities.10.1002/adfm.202401011