第一作者：杨明
通讯作者：邹雨芹 教授
通讯单位：湖南大学
DOI: 10.1002/adma.202304203
近日，《Advanced Materials》在线发表了湖南大学邹雨芹教授的研究成果，该工作设计了一种混合价态铜（MV Cu）催化剂，并利用该催化剂组装了双极产氢器件。在0.3 V的超低槽压工作时，产氢能耗仅为0.24 kWh mH2-3，并表现出良好的稳定性。除此之外，该工作基于对阳极超低电位醛氧化反应机理的探究，揭示了低电位醛氧化反应中铜基催化剂失活的根本原因，并提出了稳定铜基催化剂的设计原则。
氢能是一种高效清洁的可再生能源，且具有高热值。通过电催化水分解产生H2，可以替代化石能源的使用，显著减少二氧化碳的排放。然而，由于OER动力学缓慢引起的高能耗，限制了电解水制氢的大规模应用。醛基分子在铜基催化剂上可以以极低的起始电位被氧化，采用该反应代替OER 可以极大地降低制氢能耗。但是，目前仍然存在两个问题：（1）铜基催化剂的固有活性较低；（2）铜基催化剂的稳定性差。因此，需要深入了解铜基催化剂上低电位醛氧化的反应机理，阐明其失活机理，并基于此开发和设计具有高活性和高稳定性的铜基催化剂。
图1：MV Cu的物理表征。多项数据均表明，MV Cu中铜的价态位于0与+1价之间。
图2：MV Cu的电化学性能。混合价态铜相比于0价铜在性能上有显著提高，组装的器件在0.18 V 的槽压下即可达到100mA cm-2 的电流密度。电化学对比数据表明，铜基催化剂的失活与电解电位以及催化剂的价态紧密相关。
图3：糠醛氧化反应过程中的原位同步辐射数据。进一步说明了铜基催化剂失活的原因：在电解过程中，随着电位的升高，铜基催化剂的价态不断升高，最终导致氧化失活。
图4：失活机理的探究。通过吸附表征和理论计算，确定了铜基催化剂失活的根本原因是吸附行为的变化。
本研究用MV Cu证明了铜基电催化剂的价态与吸附行为之间的相关性。结合价态演化和吸收行为的表征，发现Cu0的固有活性较差是由于其对糠醛和水的吸附都较弱。一价铜失活的原因是催化剂表面被(OH)ads覆盖，导致缺乏吸附位点。铜基催化剂的不稳定性是由于糠醛氧化反应中铜敏感的价态导致的铜基催化剂对糠醛吸附行为的改变。因此，具有高固有活性和稳定性的铜基电催化剂需要保持其稳定的混合价态或吸附能力。总之，本研究为稳定的铜基材料的设计提供了指导，并展示了在工业生产中连续运行双极产氢装置的可能性。
文章信息
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202304203
邹雨芹，湖南大学教授，岳麓学者，博士生导师，主持国家自然科学优秀青年基金、国家重点研发计划项目子课题、国家自然科学基金青年项目、湖南省重点研发“揭榜挂帅”项目课题、湖南省自然科学优青基金、湖南省湖湘青年科技创新人才项目、湖南省自然科学基金青年项目等多项国家、省级项目。以通讯作者发表SCI论文70余篇，包括Nature Catal.、Chem、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem.、Adv. Mater.、Natl. Sci. Rev.、Energy Environ. Sci.、Adv. Energy Mater.、ESI高被引论文24篇，热点论文1篇。荣获湖南省自然科学一等奖（排名第三）、湖南省化学化工学会青年化学化工奖、湖南大学优秀教师新人奖等奖励。现任Chinese Journal of Catalysis、Chinese Chemical Letters、Chinese Journal of Structural Chemistry青年编委等学术职务。
杨明，湖南大学博士研究生，研究方向为电催化阳极产氢。
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