东北林大/华中科技CEJ：磁场增强炭化木电极的水裂解- 大数跨境

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东北林大/华中科技CEJ：磁场增强炭化木电极的水裂解

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2022-03-16

导读：该文章利用储量丰富、可再生、环境友好的木材，通过简单的水热法和一步煅烧法实现了磁性Ni3Fe纳米颗粒在木材上的原位生长。

文章信息

磁场增强炭化木电极的水裂解

第一作者：王耀星，尚莹

通讯作者：甘文涛*，姚永刚*，李坚*

单位：东北林业大学，华中科技大学

研究背景

随着不可再生的化石资源的快速消耗，迫切需要探索可持续的可再生能源来减缓环境污染和能源短缺的趋势。具有高比能量密度的氢气被认为是一种理想的环保无碳能源载体，可以通过电化学水分解产生。为了加速水分解的缓慢动力学，通常需要高效的电催化剂。

尽管贵金属是用于水分解的最先进的催化剂（例如，用于HER的Pt和用于OER的IrO₂），但是高成本和稀缺性严重阻碍了其工业化应用。为了满足工业上对高效、低成本的要求，开发简单的非贵金属催化剂的电催化活性增强策略是实现整体水分解的重要途径。

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文章简介

基于此，来自东北林业大学的甘文涛、李坚教授与华中科技大学的姚永刚教授合作，在Chemical Engineering Journal上发表题为“Highly efficient, field-assisted water splitting enabled by a bifunctional Ni3Fe magnetized wood carbon”的文章。

该文章利用储量丰富、可再生、环境友好的木材，通过简单的水热法和一步煅烧法实现了磁性Ni₃Fe纳米颗粒在木材上的原位生长。制备的Ni₃Fe基炭化木电极具有良好的催化活性和磁响应性。在外部磁场的作用下，Ni₃Fe纳米粒子实现高度电子自旋极化，降低了电化学反应能量壁垒；同时，得益于炭化木的层次化多孔结构和低弯曲度特性，加快了电化学反应的质量传输，实现了较低的电解水电位。

图1. 磁场增强Ni₃Fe-CW制备方法和机理解释的示意图。

本文要点

要点一

本工作采用简单的水热法和一步煅烧法制备了Ni₃Fe基炭化木电催化剂，木材的三维层次化多孔结构有利于金属离子渗透到木材的孔道中，随后的煅烧法实现了纳米颗粒的高质量负载，同时具有良好的分散性，可有效催化水分解。

要点二

密度泛函理论证明了原位负载在炭化木上的Ni₃Fe纳米颗粒在磁场的作用下发生自旋极化，具有高电荷密度，导致空穴聚集，降低了电化学反应的能量壁垒，实现了良好的电催化性能。

要点三

作为地球上储量丰富的原材料，木材以及镍铁金属可作为能源转化设备的可持续和低成本的选择。考虑到磁性铁、钴、镍元素在催化反应中的普遍应用，这种磁场增强策略是有前景的、可扩展的，这也可以适应许多其他能源转化技术。

文章链接

Highly efficient, field-assisted water splitting enabled by a bifunctional Ni₃Fe magnetized wood carbon

https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.135722

通讯作者简介

甘文涛 东北林业大学教授、博士生导师、木材科学与工程专业副主任。

担任国家精品课《木材学》，《木材仿生学》《木材科学基础》主讲教师。主持国家自然科学青年基金、黑龙江省优秀青年基金项目等；开展了木材仿生智能材料、木质资源高值利用、木基储能材料等研究，在Science、Nature Communication、Advanced Functional Materials、Chemistry of Materials等发表多篇研究论文。

姚永刚，华中科技大学教授，华中学者。

长期从事超高温瞬态合成与制造技术，特别是清洁能源与新能源电池材料的开发与快速制造。成果在《Science》(封面)、《Nature》、《Nat. Nano.》、《Nat. Catal.》、《Sci. Adv.》等期刊发表，入选斯坦福大学“全球前2%顶尖科学家”及科睿唯安“高被引科学家”榜单，并获得美国“2020 R&D 100 award”。

李坚中国工程院院士，木材科学专家。

发表论文300余篇，出版著作20余部，授权发明专利30余项，获国家技术发明二等奖1项、国家科技进步二等奖3项、黑龙江省重大科技效益奖1项、黑龙江省科学技术一等奖4项、何梁何利科技进步奖1项。带领的团队“生物质材料创新研究团队”被黑龙江省命名为工人先锋号；获得首届“全国高校黄大年式教师团队”荣誉称号。所带领的学科成为“985优势平台”学科、ESI全球前1%学科和国家“双一流”建设学科。

课题组网站

https://www.x-mol.com/groups/yao-hust

课题组招聘

欢迎报考东北林业大学，每年拟招2-4名硕士和1-2名博士；欢迎有材料、物理、能源、化工等相关学科背景的同学报考。有关情况可咨询甘文涛老师，Email: wtgan@nefu.edu.cn