朱云峰、张纪光AS最新研究：Ni3Fe/rGO通过加速电子转移和降低氢扩散能垒，实现微米尺寸Mg的超快速水解制氢- 大数跨境

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朱云峰、张纪光AS最新研究：Ni3Fe/rGO通过加速电子转移和降低氢扩散能垒，实现微米尺寸Mg的超快速水解制氢

科学材料站

2022-05-17

导读：该文章报告了一种超级催化剂（Ni3Fe/rGO）用于改善Mg水解制氢性能。

文章信息

Supra hydrolytic catalysis of Ni₃Fe/rGO for hydrogen generation

第一作者：刘江川

通讯作者：朱云峰*，张纪光*

单位：南京工业大学

论文DOI：10.1002/advs.202201428

研究背景

轻金属及其化合物通过水解在线制氢是一种生态友好、设备简化和满足脱碳战略的方式。由于水解产生的氢气纯度高，可直接将其作为氢燃料电池的便携式氢气源，该技术为分布式氢能利用提供了途径。镁由于其丰富的原材料、低廉的价格和环境友好性，被认为是有吸引力的水解制氢材料，但缓慢的制氢速率以及低的制氢转化率会阻碍其实际应用。

虽然在镁的催化水解制氢方面取得了一些突破，但从实际情况来看，如何制备超级催化剂以减少其添加量，仍是一项有意义的工作。同时，一般认为电偶效应在促进镁的水解中起着重要的作用；然而，其促进的具体电子过程还不清楚，且需要对氢气的运动途径有更详细的了解。

文章简介

基于此，来自南京工业大学的朱云峰教授与张纪光副教授，在国际知名期刊Advanced Science上发表题为“Supra hydrolytic catalysis of Ni₃Fe/rGO for hydrogen generation”的观点文章。该文章报告了一种超级催化剂（Ni₃Fe/rGO）用于改善Mg水解制氢性能。仅添加0.2wt.%的催化剂就可以实现明显的动力学改进：最大的制氢速率（mHGR）大约是纯镁的10倍。同时研究了添加催化剂的Mg在不同温度（0、10、20、30、40℃）下的水解行为，以满足实际应用的广泛温度范围。

此外，该研究阐明了催化剂带来的电偶效应促进Mg水解的具体电子过程，并对氢气的运动途径有更详细的了解。该研究的结果不仅解决了催化剂激活大尺寸轻金属水解的机制，而且为降低水解制氢的实际应用中的催化剂添加量和拓宽其应用温度范围提供了借鉴。

图1. Mg-Ni₃Fe/rGO水解反应机制示意图

本文要点

要点一：Ni₃Fe/rGO的高催化剂活性

图2. Ni₃Fe/rGO的制备方法以及Mg-Ni₃Fe/rGO的水解性能

常在传统的研究中，通常需要加入至少5wt%的催化剂以达到可接受的水解性能。该研究通过简便的合成方法设计了一种高分散的纳米Ni3Fe，只需要0.2wt%的添加量就可使微米级的大尺寸Mg获得相当出色的水解性能，1 min即可达到812.4mL/g的制氢量，与纯Mg相比增加了6.7倍。同时，其最大制氢速率（mHGR）为1785 mL g^-1 min^-1，约为纯镁的10倍。结合制氢速率和制氢容量，2wt%的催化剂为最佳添加量，此时Mg的最大制氢速率（mHGR）非常快，为4879 mL g^-1min^-1。

要点二：较大的水解温度范围（0、10、20、30、40℃）

通过轻质金属水解制氢使用去离子水作为水解剂，因此很少有报道探讨轻质金属在0℃下的水解行为。该工作使用3.5wt%NaCl作为水解剂，一是提供离子介导效应，二是避免在0℃发生结冰，以此研究Mg-催化剂在不同温度（0、10、20、30、40℃）下的水解行为，以满足实际应用的广泛温度范围，该体系即使在0℃下30 s内也能水解完全。

要点三：Ni₃Fe作为中转活性位点的催化机制

Ni₃Fe/rGO在离子介导的作用下与Mg发生电偶效应，从而作为催化水解行为的活性位点。通过加速Mg和H之间的电子传输和耦合过程，使Mg的水解速率显著提高。此外，Ni₃Fe作为氢的中转位点改变氢气的迁移路径。

总之，水解质子倾向在Ni₃Fe表面耦合电子，然后沿着催化剂的低能垒路径快速转移。这种催化剂大大加速了Mg的水解反应，并达到极高的水解转化率。该研究的结果不仅解决了催化剂激活微尺寸轻金属水解的机制，而且为水解制氢的实际应用中的催化剂添加量和应用温度范围提供了借鉴。

文章链接

Supra hydrolytic catalysis of Ni₃Fe/rGO for hydrogen generation

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202201428

通讯作者简介

朱云峰教授

主要从事新型能源材料、储氢材料及其在燃料电池和镍－金属氢化物二次电池中的基础理论和应用开发研究。研究方向包括：（1）氢能研究与开发；（2）新型储氢材料的基础研究和应用开发；（3）高性能镍氢二次电池研究；（4）氢的制备技术研究；（5）金属-空气电池研究与开发。主持承担和参与承担了国家自然科学基金、国家科技部863、国家教育部留学回国基金、江苏省教育厅和江苏省科技厅等国家及部省级科研项目以及国际合作项目20余项。近期已在Adv. Mater., J. Mater. Chem. A, Small, ACS Appl. Mater. Inter., Mater. Today Energy, Chem. Commun., J. Power Sources, Energy, J. Electrochem. Soc., J. Alloys Compd., Int. J. Hydrogen Energy, Electrochimica Acta, Intermetallics, Mater. Chem. Phys.以及金属学报等国内外学术期刊上发表储氢材料相关研究论文160余篇，其中SCI收录论文140余篇。此外，申请国家发明专利15项，已获授权11项。参编著作《Hydrogen Storage: Preparation, Applications and Technology》。2018年度江苏省“六大人才高峰”高层次人才、2012年度江苏省高校“青蓝工程”中青年学术带头人。

张纪光副教授

长期从事氢能源开发关键储、制氢材料构建，特别是镁基储、氢材料制备与改性研究，17年于南京工业大学获得工学博士学位后留校任教。目前在Advanced Materials，J. Mater. Chem. A, Small等学术期刊发表SCI论文45篇，参编英文专著一部。申请发明专利4项，授权2项。入选江苏省“双创计划”科技副总。担任Energy Storage Mater等多个期刊的审稿人。主持承担省级以上项目4项，包括国家自然科学基金面上项目和青年基金项目各1项，江苏省自然科学基金青年基金项目和江苏省高校自然科学研究面上项目各1项。

第一作者介绍

刘江川：南京工业大学朱云峰教授课题组博士研究生，研究方向为催化改性镁基材料的储氢性能和制氢性能以及第一性原理催化计算。

课题组介绍

南京工业大学氢能源团队由朱云峰教授负责，是属国内较早展开镁基储氢材料研究的课题组之一，至今已经在该领域深耕20余年，经验丰富，在氢能源开发研究领域所做出的贡献在国内外产生了较大的影响。团队成员包含教授3名（其中江苏省特聘教授1名）、副教授2名、硕博士20余名，是一支由中青年教师领衔的结构合理、经验丰富、精力充沛的研究团队。