- 南大閆世成教授/鄒志剛院士團(tuán)隊(duì)在熱-電耦合可再生能源制氫領(lǐng)域取得新進(jìn)展
- 發(fā)布日期：2022-11-30
近日，南京大學(xué)閆世成教授/鄒志剛院士團(tuán)隊(duì)在熱-電耦合可再生能源制氫領(lǐng)域取得新進(jìn)展。課題組從調(diào)控能量場(chǎng)來控制材料電子結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)，提出了基于熱致物理效應(yīng)的熱-電耦合制氫催化材料設(shè)計(jì)理念，熱不僅僅促進(jìn)傳質(zhì)過程(Arrhenius方程描述的線性熱-電耦合關(guān)系)，同時(shí)也是維持材料電子態(tài)的重要參量(通常誘發(fā)非線性的熱-電耦合效應(yīng))，從而有效降低電子轉(zhuǎn)移勢(shì)壘。
可再生能源分布和生產(chǎn)具有時(shí)空不均衡性，可再生能源制氫是實(shí)現(xiàn)可再生能源跨時(shí)空調(diào)配的有效途徑。然而，能量轉(zhuǎn)換效率依然是制約能源結(jié)構(gòu)從"碳循環(huán)"到"氫循環(huán)"轉(zhuǎn)變的主要因素。能量之間的耦合增益效應(yīng)是實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換效率最大化的一種潛在途徑，但仍需要探索能量耦合增益的物理機(jī)制和材料基礎(chǔ)。
圖1（a）理想情況下的以氧化還原電對(duì)為媒介的電化學(xué)水氧化劑的電流-電壓極化曲線，其中KM表示氧化還原電對(duì)的氧化速率常數(shù)，KOER表示電化學(xué)水氧速率常數(shù)。（b）熱致物理效應(yīng)降低電化學(xué)反應(yīng)勢(shì)壘。（c）單一電力輸入水氧化勢(shì)壘和基于熱致物理效應(yīng)的熱-電耦合水氧化勢(shì)壘。
課題組從調(diào)控能量場(chǎng)來控制材料電子結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)，提出了基于熱致物理效應(yīng)的熱-電耦合制氫催化材料設(shè)計(jì)理念，熱不僅僅促進(jìn)傳質(zhì)過程(Arrhenius方程描述的線性熱-電耦合關(guān)系)，同時(shí)也是維持材料電子態(tài)的重要參量(通常誘發(fā)非線性的熱-電耦合效應(yīng))，從而有效降低電子轉(zhuǎn)移勢(shì)壘。基于此設(shè)計(jì)理念，課題組前期提出了基于熱致磁相變的高效熱-電耦合催化材料的可再生電力水氧化制氫反應(yīng)(Adv. Funct. Mater. 2022, 2111234)。近期，課題組進(jìn)一步將熱致磁相變應(yīng)用于界面電子轉(zhuǎn)移勢(shì)壘調(diào)控，通過熱場(chǎng)調(diào)控NiFeN@NiFeOOH鐵磁核-反鐵磁殼結(jié)構(gòu)的內(nèi)核和外殼磁性有效降低了界面電子轉(zhuǎn)移勢(shì)壘（圖1）。鐵磁-反鐵磁界面的電子轉(zhuǎn)移需要電子自旋翻轉(zhuǎn)因而勢(shì)壘較高，隨著溫度的提升，鐵磁內(nèi)核NiFeN在居里溫度點(diǎn)55oC轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾牛瑯?gòu)成NiFeN@NiFeOOH順磁核-反鐵磁殼界面結(jié)構(gòu)有效降低界面電子轉(zhuǎn)移勢(shì)壘，而進(jìn)一步提升溫度至70oC達(dá)到NiFeOOH反鐵磁-順磁相變點(diǎn)，催化劑形成了順磁性的NiFeN@NiFeOOH核-殼界面，極大地降低了界面自旋翻轉(zhuǎn)的能壘，使得電子具有更小的轉(zhuǎn)移勢(shì)壘，甚至較低的電子轉(zhuǎn)移勢(shì)壘使得在高溫區(qū)域發(fā)生了熱化學(xué)水氧化反應(yīng)。該工作以“Heat-induced magnetic transition for water electrolysis on NiFeN@NiFeOOH core-shell assembly”為題發(fā)表在Nano Letters (https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c03634)雜志上，物理學(xué)院陸夢(mèng)非博士為論文第一作者，南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院閆世成教授和哈爾濱工業(yè)大學(xué)張倫勇副教授為論文通訊作者。
