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加快打造原始創(chuàng)新策源地，加快突破關(guān)鍵核心技術(shù)，努力搶占科技制高點(diǎn)，為把我國(guó)建設(shè)成為世界科技強(qiáng)國(guó)作出新的更大的貢獻(xiàn)。

——習(xí)近平總書記在致中國(guó)科學(xué)院建院70周年賀信中作出的“兩加快一努力”重要指示要求

面向世界科技前沿、面向經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場(chǎng)、面向國(guó)家重大需求、面向人民生命健康，率先實(shí)現(xiàn)科學(xué)技術(shù)跨越發(fā)展，率先建成國(guó)家創(chuàng)新人才高地，率先建成國(guó)家高水平科技智庫(kù)，率先建設(shè)國(guó)際一流科研機(jī)構(gòu)。

——中國(guó)科學(xué)院辦院方針

首頁(yè) > 科研進(jìn)展

堿性電解水催化劑研究取得突破

2025-04-25 上海硅酸鹽研究所

【字體：大中小】

語(yǔ)音播報(bào)

電催化水氧化作為核心電極反應(yīng)，是能耗高且動(dòng)力學(xué)緩慢的復(fù)雜過(guò)程，因此需要高效的催化劑降低反應(yīng)能壘。目前報(bào)道的過(guò)渡金屬基堿性水氧化催化劑活性較好，但在強(qiáng)氧化、大電流的水氧化催化過(guò)程中，金屬活性位點(diǎn)會(huì)因過(guò)度氧化而發(fā)生結(jié)構(gòu)畸變，繼而引發(fā)活性相溶解、脫落。因此，瞄準(zhǔn)電解水能源轉(zhuǎn)換技術(shù)應(yīng)用水平，設(shè)計(jì)開發(fā)高活性與高穩(wěn)定性兼得的堿性水氧化催化劑意義重大但面臨巨大挑戰(zhàn)。

針對(duì)上述問(wèn)題，該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出了多酸接枝固定水氧化活性位點(diǎn)設(shè)計(jì)方法，首次制備出高效多酸接枝的單層鈷鐵氫氧化物超結(jié)構(gòu)水氧化催化劑。這一方法通過(guò)定向接枝方法，將二維鈷鐵金屬有機(jī)骨架（CoFe-MOF）與多金屬氧酸鹽組裝，獲得多酸接枝的金屬有機(jī)骨架（MOF@POM）超結(jié)構(gòu)。在電催化水氧化過(guò)程中，該超結(jié)構(gòu)中CoFe-MOF原位轉(zhuǎn)化重構(gòu)為單層鈷鐵氫氧化物，并通過(guò)Ni-O橋以共價(jià)鍵與POM連接。研究揭示了包括鈷、鐵活性位點(diǎn)以及鎳、鎢調(diào)控位點(diǎn)在內(nèi)的多位點(diǎn)協(xié)同、功能集成的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)新原理。原位電化學(xué)譜學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，該結(jié)構(gòu)中鈷和鐵位點(diǎn)作為活性中心其價(jià)態(tài)不斷升高，而鎳氧橋和鎢氧骨架作為配位調(diào)節(jié)基元其價(jià)態(tài)規(guī)律振蕩，多酸出色的氧化還原特性有效解決了現(xiàn)有水氧化金屬活性位點(diǎn)氧化還原不可逆調(diào)控難題。進(jìn)一步，實(shí)驗(yàn)結(jié)合理論證實(shí)，Ni-O橋通過(guò)晶格應(yīng)變釋放穩(wěn)定Co/Fe催化活性位點(diǎn)，多酸中金屬W價(jià)態(tài)振蕩（W⁵⁺/⁶⁺）動(dòng)態(tài)調(diào)控電子密度；同時(shí)多酸基元協(xié)同降低氧活化能壘，形成應(yīng)力-電子雙層維度穩(wěn)定機(jī)制，從而突破了傳統(tǒng)催化劑的性能瓶頸。

該催化劑在堿性電解液中表現(xiàn)出優(yōu)異的催化活性：10 mA/cm²電流密度下過(guò)電位僅為178 mV，顯著優(yōu)于各類過(guò)渡金屬基催化劑。進(jìn)一步，研究顯示，集成于陰離子交換膜電解槽時(shí)，在 80℃、3 A/cm²條件下槽壓僅為1.78 V，低于美國(guó)能源局設(shè)定的2025年工業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)；室溫條件下在2A/cm²高電流密度下連續(xù)運(yùn)行5140小時(shí)，電解槽的衰減速率僅為0.02 mV/h，60℃高溫下亦可穩(wěn)定運(yùn)行2000多小時(shí)，綜合性能遠(yuǎn)超目前報(bào)道過(guò)渡金屬基催化材料。

這一研究開發(fā)出新型高性能電催化水氧化催化劑，為高活性高穩(wěn)定性電催化劑設(shè)計(jì)研究提供了新范式，有望推動(dòng)堿性電解水技術(shù)向高電流、低能耗方向發(fā)展。

相關(guān)研究成果以Polyoxometalated metal-organic framework superstructure for stable water oxidation為題，發(fā)表在《科學(xué)》（Science）上。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、上海市自然科學(xué)基金、上海市青年科技啟明星計(jì)劃等的支持。

論文鏈接

MOF@POM超結(jié)構(gòu)（A）及結(jié)構(gòu)解析（B）

MOF@POM的活性和實(shí)際運(yùn)行中的穩(wěn)定性（A-C）；該工作和其他已報(bào)道的堿性陰離子膜電解水電解槽的參數(shù)對(duì)比以及經(jīng)濟(jì)效應(yīng)分析（D-E）

MOF@POM的原位轉(zhuǎn)變過(guò)程以及結(jié)構(gòu)分析

理論計(jì)算解釋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、抗溶解能力以及對(duì)催化劑壽命的預(yù)測(cè)

4月25日，中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研究員嚴(yán)雅聯(lián)合華中科技大學(xué)、上海交通大學(xué)、新西蘭奧克蘭大學(xué)等的科研人員，在水氧化催化劑研究方面取得突破。該團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種高活性水氧化催化劑穩(wěn)定策略，在不降低活性的前提下，解決了現(xiàn)有過(guò)渡金屬基堿性水氧化催化劑在大電流下活性和穩(wěn)定性無(wú)法兼顧的難題。電催化水氧化作為核心電極反應(yīng)，是能耗高且動(dòng)力學(xué)緩慢的復(fù)雜過(guò)程，因此需要高效的催化劑降低反應(yīng)能壘。目前報(bào)道的過(guò)渡金屬基堿性水氧化催化劑活性較好，但在強(qiáng)氧化、大電流的水氧化催化過(guò)程中，金屬活性位點(diǎn)會(huì)因過(guò)度氧化而發(fā)生結(jié)構(gòu)畸變，繼而引發(fā)活性相溶解、脫落。因此，瞄準(zhǔn)電解水能源轉(zhuǎn)換技術(shù)應(yīng)用水平，設(shè)計(jì)開發(fā)高活性與高穩(wěn)定性兼得的堿性水氧化催化劑意義重大但面臨巨大挑戰(zhàn)。針對(duì)上述問(wèn)題，該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出了多酸接枝固定水氧化活性位點(diǎn)設(shè)計(jì)方法，首次制備出高效多酸接枝的單層鈷鐵氫氧化物超結(jié)構(gòu)水氧化催化劑。這一方法通過(guò)定向接枝方法，將二維鈷鐵金屬有機(jī)骨架（CoFe-MOF）與多金屬氧酸鹽組裝，獲得多酸接枝的金屬有機(jī)骨架（MOF@POM）超結(jié)構(gòu)。在電催化水氧化過(guò)程中，該超結(jié)構(gòu)中CoFe-MOF原位轉(zhuǎn)化重構(gòu)為單層鈷鐵氫氧化物，并通過(guò)Ni-O橋以共價(jià)鍵與POM連接。研究揭示了包括鈷、鐵活性位點(diǎn)以及鎳、鎢調(diào)控位點(diǎn)在內(nèi)的多位點(diǎn)協(xié)同、功能集成的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)新原理。原位電化學(xué)譜學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，該結(jié)構(gòu)中鈷和鐵位點(diǎn)作為活性中心其價(jià)態(tài)不斷升高，而鎳氧橋和鎢氧骨架作為配位調(diào)節(jié)基元其價(jià)態(tài)規(guī)律振蕩，多酸出色的氧化還原特性有效解決了現(xiàn)有水氧化金屬活性位點(diǎn)氧化還原不可逆調(diào)控難題。進(jìn)一步，實(shí)驗(yàn)結(jié)合理論證實(shí)，Ni-O橋通過(guò)晶格應(yīng)變釋放穩(wěn)定Co/Fe催化活性位點(diǎn)，多酸中金屬W價(jià)態(tài)振蕩（W5+/6+）動(dòng)態(tài)調(diào)控電子密度；同時(shí)多酸基元協(xié)同降低氧活化能壘，形成應(yīng)力-電子雙層維度穩(wěn)定機(jī)制，從而突破了傳統(tǒng)催化劑的性能瓶頸。該催化劑在堿性電解液中表現(xiàn)出優(yōu)異的催化活性：10 mA/cm2電流密度下過(guò)電位僅為178 mV，顯著優(yōu)于各類過(guò)渡金屬基催化劑。進(jìn)一步，研究顯示，集成于陰離子交換膜電解槽時(shí)，在 80℃、3 A/cm2條件下槽壓僅為1.78 V，低于美國(guó)能源局設(shè)定的2025年工業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)；室溫條件下在2A/cm2高電流密度下連續(xù)運(yùn)行5140小時(shí)，電解槽的衰減速率僅為0.02 mV/h，60℃高溫下亦可穩(wěn)定運(yùn)行2000多小時(shí)，綜合性能遠(yuǎn)超目前報(bào)道過(guò)渡金屬基催化材料。這一研究開發(fā)出新型高性能電催化水氧化催化劑，為高活性高穩(wěn)定性電催化劑設(shè)計(jì)研究提供了新范式，有望推動(dòng)堿性電解水技術(shù)向高電流、低能耗方向發(fā)展。相關(guān)研究成果以Polyoxometalated metal-organic framework superstructure for stable water oxidation為題，發(fā)表在《科學(xué)》（Science）上。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、上海市自然科學(xué)基金、上海市青年科技啟明星計(jì)劃等的支持。論文鏈接MOF@POM超結(jié)構(gòu)（A）及結(jié)構(gòu)解析（B）MOF@POM的活性和實(shí)際運(yùn)行中的穩(wěn)定性（A-C）；該工作和其他已報(bào)道的堿性陰離子膜電解水電解槽的參數(shù)對(duì)比以及經(jīng)濟(jì)效應(yīng)分析（D-E）MOF@POM的原位轉(zhuǎn)變過(guò)程以及結(jié)構(gòu)分析理論計(jì)算解釋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、抗溶解能力以及對(duì)催化劑壽命的預(yù)測(cè)

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