近日，我所催化基礎(chǔ)國家重點實驗室、太陽能研究部韓洪憲研究員和李燦院士團隊與日本理化學研究所(RIKEN)Ryuhei Nakamura教授研究團隊合作，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。本工作中，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、水氧化反應和腐蝕失活反應的三種電勢相關(guān)性。實驗表明，控制電解水反應在一定的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。

該工作得到了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。這也是獻禮我所七十周年所慶文章之一。