氢能作为新能源的关键：寻找高效电催化剂加速水分解反应

氢能作为新能源的关键：寻找高效电催化剂加速水分解反应

1 研究背景

随着化石燃料的逐渐枯竭和环境污染的日益严重，人类社会面临着前所未有的能源危机和环境压力。氢能作为一种清洁、高效、可再生的新能源，被认为是替代传统化石能源和实现可持续发展的可行途径。氢气可以通过水分解高效生产，该过程由两个半反应组成：析氧反应（OER）和析氢反应（HER）。该反应动力学缓慢、所需的过电位高，极大地限制了水分解技术的商业化应用。为了解决这个问题，科学家们一直在寻找高效的电催化剂来加速反应速度，降低所需的过电位。虽然传统的贵金属催化剂（如铂、铱、钌及其氧化物）活性高，但其高成本和资源稀缺限制了其广泛应用。因此，开发低成本、高稳定性、高效率的非贵金属催化剂成为该领域的研究热点。

二、成果简介

本研究，齐齐哈尔大学科研团队成功合成了一种新型双金属硒掺杂钴钼酸盐（Se-）多孔纳米片，可作为促进全分解水的先进双功能电催化剂。该材料具有超薄矩形纳米片结构，尺寸约为长 3.5 微米、宽 700 纳米，表面粗糙多孔，为电催化反应提供了更多的活性位点和更大的表面积。在 10 mA cm-2 的电流密度下，OER 和 HER 的过电位分别为 270 mV 和 63.3 mV，塔菲尔斜率较低，分别为 51.6 mV dec-1 和 62.0 mV dec-1，表现出优异的水电解性能。此外，Se组装电解池在池电压1.48V时即可达到10 mA cm^-2的电流密度，并且在30小时的测试过程中没有出现明显的衰减，表现出良好的长期稳定性。

3图片指南

图1展示了多孔硒纳米片的制备过程，从原料的混合溶解、沉淀到煅烧、硒化，最终形成具有多孔表面的纳米片结构。

图2 通过X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）等技术分析了Se和Co3O4纳米片的晶体结构和表面化学状态，证明了Se的成功掺杂及其对电子结构的优化。

图3 扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）图像显示了硒纳米片的形貌和微观结构，其多孔、粗糙的表面有利于提高催化效率。

图 4 和 5：线性扫描伏安法 (LSV) 曲线、塔菲尔图和图表等电化学测试证明了 Se- 在 OER 和 HER 中的优异性能，包括低过电位、低塔菲尔斜率和高电荷传输速率。

图6给出了Se电解槽在整体水分解测试中的电催化性能，包括低电池电压下的高电流密度测试结果以及长期稳定性测试结果。

图7 利用密度泛函理论（DFT）计算分析了Se-在OER和HER过程中的内在机制，揭示了Se掺杂如何优化反应动力学和热力学途径。

4 总结

本研究成功开发的硒多孔纳米片是一种新型的双功能电催化剂，在碱性电解质中表现出优异的水分解性能。该工作不仅为高效非贵金属基电催化剂的设计制备提供了一种新方法，也为高效非贵金属基电催化剂的设计制备提供了一种新方法，为清洁能源的可持续生产和应用提供了新思路和重要的科学依据。通过实验和理论计算相结合的方式，研究人员对硒掺杂如何优化催化剂的电子结构和表面化学有了深入的了解。这些发现有望推动电催化水分解技术的发展，为解决能源危机、减少环境污染提供新的解决方案。随着不断优化，未来有望实现更高效、稳定、低成本的电催化体系，为绿色能源的广泛应用铺平道路。

文学：

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