合肥光源用户在碱水电解制氢催化剂研究中取得系列进展学术资讯

氢气作为一种高热焓、零碳排放的能源，在未来绿色能源社会中扮演着重要的角色。通过电解水的形式将太阳能、水能、风能等可持续能源以电能的形式转化成化学能储存在氢气中是一条非常经济且绿色的产氢途径。碱水电解产氢可以避免酸腐蚀电极和催化剂的腐蚀溶解，达到高效制备纯氢的目的，同时也能与其它工业半反应（氯碱化工）联用，显示出更广泛的应用前景。相比于酸性环境中质子直接耦合电子的析氢反应（2H+ + 2e- → H2↑），碱性介质中质子的缺乏需要通过额外的水电离补充（H2O + e- → H* + OH-），这直接导致其电解水析氢活性比酸性环境低2~3个数量级，极大地阻碍了碱水电解析氢反应的规模化应用。因此，设计廉价且高效的碱水电解制氢催化剂具有重要的理论和实际应用价值。

针对以上问题，在合肥光源催化与表面科学线站（BL11U），中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所崔义研究员和陈志刚博士研究团队开展了一系列原子级含钨/钼催化剂材料的C K-edge和O K-edge 近边X射线吸收精细结构(NEXAFS)表征。在热迁移诱导单原子钨生长类铂钨原子团簇工作中，单原子钨，钨原子团簇、碳化钨纳米晶材料与纯碳基底相比，C K-edge NEXAFS的C-C π*均出现了明显的宽化特征，说明三种钨材料均是以W 5d-C 2p轨道杂化形式稳定存在（图a）；在非常规偏铝酸修饰碳化钛基底锚定单原子Mo和CoOx团簇（Mo-CoOx@Al-MXene）工作中，通过O K-edge NEXAF测试, 发现Mo-CoOx@Al-MXene催化剂经过HER反应后，位于谱线532.2 eV的超氧根（O2-）显著增加（图b），这主要是由于相邻位置氧空位出现导致的，说明氧空位有利于电解水析氢反应；在金属型W/WO2固体酸催化碱性HER反应的工作中，通过O K-edge NEXAFS测试发现，W/WO2复合催化剂中氧空位浓度高于两个单体催化剂（W, WO2）（图c），说明复合之后，W颗粒改变了WO2局域的W-O结构，可能在界面处产生了结构的扭曲，进而增加界面位置的氧空位浓度。相关研究成果分别发表在国际期刊《Nature Communications》和《PNAS》上。