寧波材料所在磁場(chǎng)輔助增強(qiáng)電催化析氫性能方面取得重要進(jìn)展
氫氣作為清潔能源，在未來(lái)的能源版圖中將發(fā)揮重要作用，電解水制氫具有成本較低、效率高、環(huán)境友好、安全性較好等優(yōu)點(diǎn)，備受人們青睞。目前電催化析氫反應(yīng)活性最好的固態(tài)催化劑是貴金屬鉑、鈀、銥等，但貴金屬儲(chǔ)量稀少，價(jià)格昂貴，不適用于大規(guī)模生產(chǎn)。因此需開發(fā)廉價(jià)、高效的非貴金屬析氫電催化劑。含有Fe、Co、Ni等磁性元素的催化劑表現(xiàn)出優(yōu)異的催化活性、穩(wěn)定性和價(jià)格優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是最有希望替代貴金屬的催化劑之一。
中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所非晶合金磁電功能特性研究團(tuán)隊(duì)，長(zhǎng)期致力于新型磁性催化劑的開發(fā)及其性能優(yōu)化。前期基于Fe、Co、Ni等磁性元素，發(fā)展了一種多組元磁性催化劑的快速制備和篩選方法[ACS Catal. 2022 (12) 3789]；并研發(fā)出多種具有高活性的磁性催化劑[J. Mater. Chem. A 2020 (8) 3246；J. Alloy Compd. 2021 (880) 160548]。
近期，該團(tuán)隊(duì)研究生蔡亮等人，在王軍強(qiáng)研究員和霍軍濤研究員的指導(dǎo)下，在磁場(chǎng)輔助增強(qiáng)電催化析氫性能方面取得了重要進(jìn)展。該項(xiàng)工作系統(tǒng)研究了外加交變磁場(chǎng)（AMF）對(duì)Fe-Co-Ni-P-B磁性催化劑析氫反應(yīng)（HER）的影響規(guī)律及其微觀機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)AMF可以顯著提高磁性催化劑的HER催化效率，在20mT的外加磁場(chǎng)下，其電流密度增加了27%。研究結(jié)果表明，磁場(chǎng)增強(qiáng)HER催化性能主要?dú)w因于洛倫茲力提高了電荷轉(zhuǎn)移效率，而磁熱效應(yīng)的貢獻(xiàn)較小。另外，F(xiàn)e-Co-Ni-P-B電極的高磁導(dǎo)率和電磁渦流的趨膚效應(yīng)可以進(jìn)一步放大洛倫茲效應(yīng)。該工作闡明了AMF增強(qiáng)磁性催化劑HER活性的新機(jī)制，為進(jìn)一步改善磁性催化材料的性能提供了新思路。相關(guān)成果以“Key Role of Lorentz Excitation in the Electromagnetic-Enhanced Hydrogen Evolution Reaction”為題發(fā)表在國(guó)際知名期刊ACS Appl. Mater. Interfaces 2022 (14) 15243上。
以上工作成果得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2018YFA0703604、2018YFA0703602），國(guó)家自然科學(xué)基金（51827801、51922102、52071327、92163108），中科院青促會(huì)（2019296），浙江省自然科學(xué)基金（LR22E010004、2022C01023）等項(xiàng)目的資助。
圖1 交變磁場(chǎng)對(duì)磁性催化劑電催化性能的影響規(guī)律
圖2 交變磁場(chǎng)增強(qiáng)磁性催化劑電催化性能的微觀機(jī)制示意圖
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