近日，中國科學院大連化學物理研究所催化基礎(chǔ)國家重點實驗室、太陽能研究部研究員韓洪憲和中科院院士李燦團隊與日本理化學研究所教授（RIKEN）Ryuhei Nakamura研究團隊合作，在酸性條件下非貴金屬電催化分解水研究方面取得新進展，相關(guān)研究成果發(fā)表在《德國應(yīng)用化學》（Angew. Chem. Int. Ed.）上。

 

       將太陽能轉(zhuǎn)化為俗稱“液態(tài)陽光”的“太陽能燃料”，是應(yīng)對未來化石燃料枯竭和氣候變化的重要可再生能源策略。近年來，太陽能等可再生能源發(fā)電逐步成為最為廉價的發(fā)電技術(shù)。利用光伏發(fā)電驅(qū)動電解水（PV-E）制氫，是目前最為可行的大規(guī)模可再生能源制氫技術(shù)之一。在眾多電解水技術(shù)中，質(zhì)子交換膜（PEM）電解水技術(shù)受到廣泛關(guān)注。但是迄今為止，只有貴金屬IrOx能在PEM酸性環(huán)境和陽極極化條件下穩(wěn)定分解水，這極大限制了PEM電解水技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用。因此，開發(fā)能夠取代貴重金屬Ir的廉價、高效、酸性穩(wěn)定的析氧（OER）催化劑，對發(fā)展PV-PEM大規(guī)模制氫技術(shù)尤為重要。太陽能研究部長期致力于光催化、光電催化和電催化分解水技術(shù)：在電催化方面，相繼發(fā)展了鎳鐵氫氧化物（Angew. Chem. Int. Ed.，2014；J. Am. Chem. Soc.，2016）、多金屬雙功能催化劑FeCoNi（ACS Catal.，2018）、CoOx納米顆粒催化劑（Chem. Sci.，2017）、單核錳水氧化催化劑（Nature Catalysis，2018）等分解水電催化劑。然而，這些催化劑均面臨酸性條件下穩(wěn)定性不高的問題。

       目前，尚沒有關(guān)于在酸性條件下長壽命穩(wěn)定分解水的非貴金屬電催化劑的相關(guān)報道。該工作中，科研人員發(fā)現(xiàn)γ-MnO2在特殊電位窗口范圍內(nèi)，可實現(xiàn)酸性條件下穩(wěn)定的水分解性能，并實現(xiàn)了8000多小時的穩(wěn)定性測試。該合作研究團隊利用原位光譜電化學等分析方法，系統(tǒng)地研究了γ-MnO2在酸性條件下電催化水氧化反應(yīng)的活性、穩(wěn)定性等問題，確定了γ-MnO2酸性條件下分解水的活化、水氧化反應(yīng)和腐蝕失活反應(yīng)的三種電勢相關(guān)性。實驗表明，控制電解水反應(yīng)在一定的OER電位窗口范圍內(nèi)進行是γ-MnO2在酸性條件下穩(wěn)定工作的一個必要條件。這一工作為發(fā)展能夠取代IrOx的過渡金屬基的廉價、穩(wěn)定高效的OER電催化劑提供了新的思路。

 

       該工作得到國家自然基金委項目、科技部重點研發(fā)計劃納米科技專項、RIKEN國際項目助理研究計劃（IPA）等資助。