莊林

(武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院，化學(xué)電源材料與技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072)

γ-VOOH空心納米結(jié)構(gòu)的合成及其在電解水中的應(yīng)用

莊林

(武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院，化學(xué)電源材料與技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072)

(1) Dresselhaus,M.S.;Thomas,I.L.Nature2001,414,332.doi:10.1038/35104599

(2) Gray,H.B.Nat.Chem.2009,1,7.doi:10.1038/nchem.141

(3)Lang,L.M.;Shi,Y.;Wang,J.;Wang,F.B.;Xia,X.ACS Appl.Mater.Interfaces2015,7,9098.doi:10.1021/acsami.5b00873

(4)Shi,H.H.;Liang,H.F.;Ming,F.W.;Wang,Z.C.Angew.Chem.Int.Ed.2016,doi:10.1002/anie.201610211

10.3866/PKU.WHXB201612221

能源和環(huán)境是現(xiàn)今涉及人類(lèi)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的兩大問(wèn)題，正威脅著人們正常的生產(chǎn)和生活。隨著工業(yè)、社會(huì)的發(fā)展以及石油等礦物能源消耗的不斷增加，全球環(huán)境污染日益嚴(yán)重，而這些資源終將枯竭，所以發(fā)展一種清潔、可持續(xù)的替代能源是人類(lèi)社會(huì)亟待解決的問(wèn)題。新能源如氫能、太陽(yáng)能、風(fēng)能等具有清潔、無(wú)污染、來(lái)源廣泛、可再生、環(huán)境友好的特點(diǎn)，引起了全世界的廣泛關(guān)注。因此，新能源的研究與開(kāi)發(fā)、能源的高效可持續(xù)利用以及環(huán)境友好成為各國(guó)科學(xué)家的主要任務(wù)1。

眾所周知，氫能作為未來(lái)人類(lèi)社會(huì)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的最佳清潔能源，被認(rèn)為是21世紀(jì)最有前途的能源之一。氫氣具有燃燒熱值高、來(lái)源豐富、運(yùn)輸與儲(chǔ)存方便、反應(yīng)產(chǎn)物水無(wú)污染等特點(diǎn)，具有廣闊的發(fā)展前景。對(duì)于氫的制備有很多種方法(如光解水、電解水、甲醇制氫、生物制氫、氨氣分解制氫等)，電解水制氫已經(jīng)成為其中最引人關(guān)注的方法，其中電解水工藝因其高效性而易形成產(chǎn)業(yè)化，是最有前景的制氫方法，具有操作簡(jiǎn)單、產(chǎn)品純度高、無(wú)污染和原料來(lái)源經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)，故應(yīng)用較為廣泛。水電解需要的理論電壓為 1.23 V，該值具有溫度依賴性，但在實(shí)際應(yīng)用中使水分解的電壓要高于該理論值，額外需要的電壓則為過(guò)電位，陰極析氫(HER)、陽(yáng)極析氧(OER)存在的過(guò)電位將導(dǎo)致實(shí)際能耗增大，成為制約電解水在工程領(lǐng)域發(fā)展的瓶頸，所以需降低過(guò)電位使水分解反應(yīng)更加節(jié)能高效。制備高催化活性的HER和OER電極是降低電極過(guò)電位高的關(guān)鍵。因此，研究和開(kāi)發(fā)能降低電解水能耗的電催化電極材料具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。迄今，在各種電極材料中，Pt電極具有最佳的催化析氫活性(氫和氧在其上的過(guò)電位較小)，但稀少的儲(chǔ)量以及高成本限制了它的大規(guī)模應(yīng)用2。所以，經(jīng)濟(jì)、高效電解水催化材料的制備仍是一個(gè)難題3。

廈門(mén)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院王周成教授課題組在高效全電解水催化制氫氣和氧氣的研究方面取得新進(jìn)展。在本研究中，控制合成了空心納米結(jié)構(gòu)γ-VOOH，并首次探究了其在電催化中的應(yīng)用。課題組成功以偏釩酸銨、鹽酸和水合肼為原料通過(guò)調(diào)節(jié)水熱時(shí)間和溫度得到了實(shí)心和空心納米結(jié)構(gòu)的γ-VOOH。通過(guò)對(duì)比不同結(jié)構(gòu)的γ-VOOH電催化的性能，發(fā)現(xiàn)水熱溫度為 160 °C、水熱時(shí)間為 8 h 所得到的產(chǎn)物電催化性能最佳。在 1 mol·L－1KOH 溶液中，電解水析氧驅(qū)動(dòng)電流密度為 10 mA·cm－2、所需過(guò)電位為 270 mV，電解水析氫驅(qū)動(dòng)電流密度為10 mA·cm－2、所需過(guò)電位為 164 mV。以γ-VOOH為陰極和陽(yáng)極在堿性條件下全電解水，發(fā)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電流密度為 10 mA·cm－2、所需的槽電壓僅為 1.62 V，與目前的全電解水催化劑相比，表現(xiàn)出良好的全水解性能。該工作提出了一種價(jià)格低廉、穩(wěn)定性好的電解水催化劑制備方法，在釩基催化劑全電解水制氫和制氧方面提供了新思路。相關(guān)結(jié)果以“Efficient Overall Water Splitting Electrocatalysis Using Lepidocrocite VOOH Hollow Nanospheres”為題，發(fā)表在Angewandte Chemie International Edition期刊上4。