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    寧波材料所在磁場輔助增強電催化析氫性能方面取得重要進展
    作者:,日期:2022-04-13

      氫氣作為清潔能源,在未來的能源版圖中將發揮重要作用,電解水制氫具有成本較低、效率高、環境友好、安全性較好等優點,備受人們青睞。目前電催化析氫反應活性最好的固態催化劑是貴金屬鉑、鈀、銥等,但貴金屬儲量稀少,價格昂貴,不適用于大規模生產。因此需開發廉價、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出優異的催化活性、穩定性和價格優勢,被認為是最有希望替代貴金屬的催化劑之一。

      中國科學院寧波材料技術與工程研究所非晶合金磁電功能特性研究團隊,長期致力于新型磁性催化劑的開發及其性能優化。前期基于Fe、Co、Ni等磁性元素,發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,該團隊研究生蔡亮等人,在王軍強研究員和霍軍濤研究員的指導下,在磁場輔助增強電催化析氫性能方面取得了重要進展。該項工作系統研究了外加交變磁場(AMF)對Fe-Co-Ni-P-B磁性催化劑析氫反應(HER)的影響規律及其微觀機制。研究發現AMF可以顯著提高磁性催化劑的HER催化效率,在20mT的外加磁場下,其電流密度增加了27%。研究結果表明,磁場增強HER催化性能主要歸因于洛倫茲力提高了電荷轉移效率,而磁熱效應的貢獻較小。另外,Fe-Co-Ni-P-B電極的高磁導率和電磁渦流的趨膚效應可以進一步放大洛倫茲效應。該工作闡明了AMF增強磁性催化劑HER活性的新機制,為進一步改善磁性催化材料的性能提供了新思路。相關成果以“Key Role of Lorentz Excitation in the Electromagnetic-Enhanced Hydrogen Evolution Reaction”為題發表在國際知名期刊ACS Appl. Mater. Interfaces 2022 (14) 15243上。

      以上工作成果得到國家重點研發計劃(2018YFA0703604、2018YFA0703602),國家自然科學基金(51827801、51922102、52071327、92163108),中科院青促會(2019296),浙江省自然科學基金(LR22E010004、2022C01023)等項目的資助。

    圖1 交變磁場對磁性催化劑電催化性能的影響規律

    圖2 交變磁場增強磁性催化劑電催化性能的微觀機制示意圖

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