為“氫”春奮斗，擁抱氫能時(shí)代

人類社會(huì)的存在和發(fā)展離不開能源?，F(xiàn)在我們?nèi)祟愂褂玫哪茉粗饕€是化石能源：煤，石油和天然氣。但是，化石能源是不可再生資源，最終將會(huì)枯竭，且這些碳基能源的使用導(dǎo)致二氧化碳的過度排放，帶來日益嚴(yán)重的溫室效應(yīng)，這促使新型清潔能源技術(shù)的開發(fā)利用勢在必行。氫氣，作為一種能源，具有零碳排放、無污染、可循環(huán)利用和燃燒值高等的優(yōu)點(diǎn)，被視為21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉础Ｔ谖覈笆奈濉币?guī)劃綱要中，氫能為“前瞻謀劃未來產(chǎn)業(yè)”之一。目前，氫能源行業(yè)在我國迎來前所未有的蓬勃發(fā)展，將極大地助力碳中和碳達(dá)峰目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，推動(dòng)我國高質(zhì)量能源體系的建立。

氫元素在地球上主要以化合物的形式存在于水和化石燃料中，而氫能作為一種二次能源，需要通過制氫技術(shù)進(jìn)行提取。如何能大量而廉價(jià)的生產(chǎn)氫是氫能源產(chǎn)業(yè)首先要攻克的關(guān)鍵問題。目前，電解水制氫被認(rèn)為是最有希望大規(guī)模制備氫氣的技術(shù)，其所需電能可由包括太陽能、水能、風(fēng)能及海洋能等的可再生能源產(chǎn)生，此種方法所制備氫氣成為“綠氫”。如圖1所示，電解水反應(yīng)包括陰極的析氫反應(yīng)（HER）和陽極的析氧反應(yīng)（OER）。另一方面，氫燃料電池包含陽極的氫氧化反應(yīng)（HOR）和陰極的氧還原反應(yīng)（ORR），動(dòng)力學(xué)緩慢的ORR過程是制約氫燃料電池效率和性能的主要因素。為降低以上電極反應(yīng)的過電勢和加快反應(yīng)速率，電催化劑是必需的材料。

圖1.（A）氫能源技術(shù)中電解水制氫及氫燃料電池示意圖，（B）電解水制氫及氫燃料電池中涉及的電極反應(yīng)及其典型極化曲線。[1]

前期工作中，我們課題組利用聚多巴胺（PDA）合成了系列電催化劑。石墨烯和聚PDA合成氮摻雜碳納米片用作高效的ORR電催化劑；進(jìn)一步PDA 的硫加成反應(yīng)，合成氮硫雙摻雜的碳納米片和碳納米管，分別用作高效的雙功能ORR/OER和HER/OER電催化劑；PDA可作為雙摻雜平臺(tái)，用于評價(jià)助摻雜劑（硼、磷和硫）對氮摻雜碳納米片在HER催化活性上的促進(jìn)作用，發(fā)現(xiàn)硫具有最強(qiáng)的促進(jìn)作用，磷次之，硼能降低氮摻雜材料的HER活性。同時(shí)，撰寫發(fā)表了PDA材料的綜述文章，總結(jié)了PDA材料在能量轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)領(lǐng)域中的應(yīng)用 （圖2）。另外，課題組分別利用天然DNA和吡啶硫酮鋅合成系列摻雜碳及金屬/摻雜碳復(fù)合材料用于ORR和HER電催化劑。

圖2. PDA材料的獨(dú)特優(yōu)勢、PDA衍生的功能材料及在相關(guān)能源領(lǐng)域的應(yīng)用。[2]

另外，陽極OER的標(biāo)準(zhǔn)電勢為1.23 V，且涉及到4電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)，其動(dòng)力學(xué)反應(yīng)緩慢，導(dǎo)致電解水中90%的電力消耗來自于陽極OER。肼氧化反應(yīng)（HzOR，N2H4 + 4OH- = N2 + 4H2O + 4e-）具有很低的標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)電勢（-0.33 V），且產(chǎn)物僅為氮?dú)?。因此，將陰極HER和陽極HzOR結(jié)合有望實(shí)現(xiàn)低能耗高效綠色制氫，而研究開發(fā)高性能的雙功能HER和HzOR電催化劑是實(shí)現(xiàn)這一技術(shù)的關(guān)鍵。課題組制備了系列Ru基和銥基電催化劑，具有優(yōu)異的HER/HzOR雙功能活性，而且，將HER和HzOR組合得到的混合電解池，與全水電解池相比，具有明顯的高效節(jié)能優(yōu)勢。

圖3. Ru /氮摻雜介孔碳作為HER和HzOR雙功能電催化劑，用于HER‖HzOR混合電解制氫。[3]

總之，氫能源產(chǎn)業(yè)具有極為廣闊的發(fā)展前景，對我國實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)具有極重要的戰(zhàn)略價(jià)值，將助力我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)實(shí)現(xiàn)綠色低碳發(fā)展從量變到質(zhì)變直至飛躍，但制氫、儲(chǔ)氫、用氫等技術(shù)領(lǐng)域還亟待突破。青年應(yīng)不負(fù)韶華，腳踏實(shí)地，期待更多感興趣的同學(xué)了解并加入，在這一領(lǐng)域用奮斗譜寫激昂的 “氫”春樂章。

參考文獻(xiàn)：

[1]H. Jin, C. Guo, X. Liu, J. Liu, A. Vasileff, Y. Jiao, Y. Zheng, S.-Z. Qiao, Emerging Two-Dimensional Nanomaterials for Electrocatalysis, Chem. Rev. 2018, 118, 6337-6408.

[2] K. Qu, Y. Wang, A. Vasileff, Y. Jiao, H. Chen, Y. Zheng, Polydopamine-inspired nanomaterials for energy conversion and storage, J. Mater. Chem. A, 2018, 6, 21827-21846.

[3] J. Wang, X. Guan, H. Li, S. Zeng, R. Li, Q. Yao, H. Chen, Y. Zheng, K. Qu, Robust Ru-N metal-support interaction to promote self-powered H2 production assisted by hydrazine oxidation, Nano Energy 2022, 100, 107467.

導(dǎo)師簡介

曲孔崗，博士，副教授，碩士研究生導(dǎo)師，“光岳英才”二層次人才?，F(xiàn)為《稀土》，《聊城大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)》期刊編委。主要從事碳復(fù)合材料在電催化制氫，燃料電池等方面的研究。先后主持國家自然科學(xué)基金、山東省自然科學(xué)基金、山東省高等學(xué)校青創(chuàng)科技支持計(jì)劃以及校內(nèi)基金等項(xiàng)目；以第一作者和通訊作者Advanced Energy Materials, ACS Nano，Nano Energy, Chemical Engineering Journal, Carbon, Nano Research, Nanoscale等期刊發(fā)表SCI論文40余篇，論文總引用次數(shù)7200余次?？蒲谐晒@山東省高等學(xué)校優(yōu)秀成果獎(jiǎng)、聊城大學(xué)自然科學(xué)優(yōu)秀成果一等獎(jiǎng)、聊城大學(xué)研究生優(yōu)秀成果獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)等獎(jiǎng)勵(lì)。指導(dǎo)的研究生曾獲得國家獎(jiǎng)學(xué)金、山東省高等學(xué)校優(yōu)秀學(xué)生、山東省高校師范類優(yōu)秀畢業(yè)生等重要獎(jiǎng)項(xiàng)。

招生專業(yè)：無機(jī)化學(xué)