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间隙非金属原子调控二氧化钌纳米材料用于酸性电解水性能研究

批准号:
22105146
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
王娟
依托单位:
学科分类:
无机功能材料化学
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
王娟

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
酸性电解水是制备清洁高效的氢能并实现能源转型的有效途径,而高效稳定的电催化材料的设计和开发却成了制约其规模化应用的瓶颈。本项目拟在二氧化钌(RuO2)纳米材料间隙中引入非金属原子,从而实现高效酸性电解水制氢的目的。核心思路是:将制备的Ru基纳米材料分散于非金属载体上,然后利用热处理时组分的挥发产生大量的自由空间,为载体的快速渗透和扩散提供通道,将非金属原子固定在RuO2间隙中,研究间隙非金属原子对RuO2纳米材料酸性电解水性能的影响。用原位X射线吸收光谱监测催化过程中材料结构的动态变化,理解RuO2纳米材料在酸性电解水中的催化机制。利用理论计算模拟催化过程中的反应能垒和动力学过程,研究间隙非金属原子对RuO2微观结构的影响及其催化机理。本项目通过在RuO2纳米材料间隙中引入非金属原子的研究,解决Ru基材料酸性电解水活性和稳定性难以兼顾的问题,为新能源材料的设计和研发提供新的视角和思路。
英文摘要
Acidic electrochemical water splitting is an effective way to produce clean hydrogen energy and to realize energy transition. However, the design and development of efficient and stable electrocatalytic materials has become a bottleneck restricting its large-scale application. This project intends to introduce non-metal atoms into the gap of ruthenium dioxide (RuO2) nanomaterials to achieve efficient acidic electrochemical water splitting to produce hydrogen. The core idea is to disperse the prepared Ru-based nanomaterials on a non-metal carrier, and then a large amount of free space is generated due to the volatilization of element, which provides a channel for the rapid penetration and diffusion of the carrier to fix non-metal atoms in the RuO2 gap. The effect of the existence of interstitial non-metal atoms on the acidic electrochemical water splitting performance of RuO2 nanomaterials would be then investigated. In situ X-ray absorption spectroscopy is used to monitor the dynamic evolution of materials structure in the catalytic process, and to understand the catalytic mechanism of RuO2 nanomaterials in acidic water splitting. Theoretical calculation is used to simulate the reaction energy barrier and kinetic process in the catalytic process, elucidating the effect of interstitial non-metal atoms on the microstructure of RuO2 and the catalytic mechanism. This project solves the problem that it is difficult to balance the activity and stability of Ru-based materials in acidic electrochemical water splitting through the research of introducing non-metal atoms into the gaps of RuO2 nanomaterials, and provides new perspectives and ideas for the design and development of new energy materials.
随着技术进步以及对绿色清洁能源的需求加大,PEM制氢技术应用也逐渐增多,虽然电解槽的成本已经有所下降,但是阳极高载量的贵金属Ir因其高昂的价格和极度匮乏的资源将成为制约其规模化应用的瓶颈。鉴于此,本项目提出了一种在RuO2间隙中有效引入非金属原子的策略,为解决间隙原子在纳米材料中无法精准调控和合成的难题提供新的思路和方向。通过利用热处理过程中组分的挥发产生大量的自由空间,为非金属载体的快速渗透和扩散提供通道,从而将非金属原子固定在RuO2间隙中。间隙非金属原子不但可以调节RuO2的电子结构从而优化反应能垒提高催化活性,而且容易与RuO2中的O成键来增强RuO2在强酸性和高氧化环境中的电解水稳定性。过间隙非金属原子的引入获得具有高效酸性电解水性能的RuO2纳米材料,为解决Ru基材料电解水活性和稳定性难以兼顾的科学性难题提供新的途径。主要结果包括:(1)提出了利用Se的挥发在RuO2间隙中引碳原子从而增强其酸性OER活性和稳定性的新思路,阐述了RuO2中间隙碳的存在对酸性OER催化活性和稳定性的影响,为设计和开发具有高效稳定的Ru基电催化剂指明了方向;(2)进一步发展了利用热处理过程中组分的挥发在RuO2晶格中引入异质原子从而增强其PEM电解水性能的新策略。(3)研发了可以在工业级电流密度下(1000 mA cm-2)稳定(3000小时)运行的电解水催化剂,为工业级电流密度的电催化剂的设计和研发提供了研究思路;(4)利用多种原位技术(XRD、Raman、ATR-IR和DEMS)研究了材料在电催化中的重构过程,为催化剂在电化学过程中的动态演变和相应反应机制的研究积累了丰富的经验;(5)实现了Ru基材料在PEM装置中大电流密度下(500 mA cm-2)的长时间(500小时)稳定运行的目标,给Ru基材料在PEM中的工业化应用带来了。
钌基高熵材料的阴离子调控及其PEM电解水机制研究
  • 批准号:
    --
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    0万元
  • 批准年份:
    2024
  • 负责人:
    王娟
  • 依托单位:
国内基金
海外基金