【文章信息】
Supra hydrolytic catalysis of Ni3Fe/rGO for Hydrogen generation
第一作者：劉江川
通訊作者：朱雲峰*，張紀光*
單位：南京工業大學
論文DOI：10.1002/advs.202201428
【研究背景】
輕金屬及其化合物通過水解在線制氫是一種生態友好、設備簡化和滿足脫碳戰略的方式。由於水解產生的氫氣純度高，可直接將其作為氫燃料電池的可攜式氫氣源，該技術為分布式氫能利用提供了途徑。鎂由於其豐富的原材料、低廉的價格和環境友好性，被認為是有吸引力的水解制氫材料，但緩慢的制氫速率以及低的制氫轉化率會阻礙其實際應用。雖然在鎂的催化水解制氫方面取得了一些突破，但從實際情況來看，如何製備超級催化劑以減少其添加量，仍是一項有意義的工作。同時，一般認為電偶效應在促進鎂的水解中起著重要的作用；然而，其促進的具體電子過程還不清楚，且需要對氫氣的運動途徑有更詳細的了解。
【文章簡介】
近日，來自南京工業大學的朱雲峰教授與張紀光副教授，在國際知名期刊Advanced Science上發表題為「Supra hydrolytic catalysis of Ni3Fe/rGO for hydrogen generation」的觀點文章。該文章報告了一種超級催化劑（Ni3Fe/rGO）用於改善Mg水解制氫性能。僅添加0.2wt.%的催化劑就可以實現明顯的動力學改進：最大的制氫速率（mHGR）大約是純鎂的10倍。同時研究了添加催化劑的Mg在不同溫度（0、10、20、30、40℃）下的水解行為，以滿足實際應用的廣泛溫度範圍。此外，該研究闡明了催化劑帶來的電偶效應促進Mg水解的具體電子過程，並對氫氣的運動途徑有更詳細的了解。該研究的結果不僅解決了催化劑激活大尺寸輕金屬水解的機制，而且為降低水解制氫的實際應用中的催化劑添加量和拓寬其應用溫度範圍提供了借鑑。
圖1. Mg-Ni3Fe/rGO水解反應機制示意圖。
【本文要點】
要點一： Ni3Fe/rGO的高催化劑活性
常在傳統的研究中，通常需要加入至少5wt%的催化劑以達到可接受的水解性能。該研究通過簡便的合成方法設計了一種高分散的納米Ni3Fe，只需要0.2wt%的添加量就可使微米級的大尺寸Mg獲得相當出色的水解性能，1 min即可達到812.4mL/g的制氫量，與純Mg相比增加了6.7倍。同時，其最大制氫速率（mHGR）為1785 mL g-1 min-1，約為純鎂的10倍。結合制氫速率和制氫容量，2wt%的催化劑為最佳添加量，此時Mg的最大制氫速率（mHGR）非常快，為4879 mL g-1 min-1。
圖2. Ni3Fe/rGO的製備方法以及Mg-Ni3Fe/rGO的水解性能。
要點二：較大的水解溫度範圍（0、10、20、30、40℃）
通過輕質金屬水解制氫使用去離子水作為水解劑，因此很少有報導探討輕質金屬在0℃下的水解行為。該工作使用3.5wt%NaCl作為水解劑，一是提供離子介導效應，二是避免在0℃發生結冰，以此研究Mg-催化劑在不同溫度（0、10、20、30、40℃）下的水解行為，以滿足實際應用的廣泛溫度範圍，該體系即使在0℃下30 s內也能水解完全。
要點三：Ni3Fe作為中轉活性位點的催化機制
Ni3Fe/rGO在離子介導的作用下與Mg發生電偶效應，從而作為催化水解行為的活性位點。通過加速Mg和H之間的電子傳輸和耦合過程，使Mg的水解速率顯著提高。此外，Ni3Fe作為氫的中轉位點改變氫氣的遷移路徑。總之，水解質子傾向在Ni3Fe表面耦合電子，然後沿著催化劑的低能壘路徑快速轉移。這種催化劑大大加速了Mg的水解反應，並達到極高的水解轉化率。該研究的結果不僅解決了催化劑激活微尺寸輕金屬水解的機制，而且為水解制氫的實際應用中的催化劑添加量和應用溫度範圍提供了借鑑。
【文章連結】
Supra hydrolytic catalysis of Ni3Fe/rGO for hydrogen generation
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202201428
【通訊作者簡介】
朱雲峰教授簡介：
主要從事新型能源材料、儲氫材料及其在燃料電池和鎳－金屬氫化物二次電池中的基礎理論和應用開發研究。研究方向包括：（1）氫能研究與開發；（2）新型儲氫材料的基礎研究和應用開發；（3）高性能鎳氫二次電池研究；（4）氫的製備技術研究；（5）金屬-空氣電池研究與開發。主持承擔和參與承擔了國家自然科學基金、國家科技部863、國家教育部留學回國基金、江蘇省教育廳和江蘇省科技廳等國家及部省級科研項目以及國際合作項目20餘項。
近期已在Adv. Mater., J. Mater. Chem. A, Small, ACS Appl. Mater. Inter., Mater. Today Energy, Chem. Commun., J. Power Sources, Energy, J. Electrochem. Soc., J. Alloys Compd., Int. J. Hydrogen Energy, Electrochimica Acta, Intermetallics, Mater. Chem. Phys.以及金屬學報等國內外學術期刊上發表儲氫材料相關研究論文160餘篇，其中SCI收錄論文140餘篇。此外，申請國家發明專利15項，已獲授權11項。參編著作《Hydrogen Storage: Preparation, Applications and Technology》。2018年度江蘇省「六大人才高峰」高層次人才、2012年度江蘇省高校「青藍工程」中青年學術帶頭人。
張紀光副教授簡介：
長期從事氫能源開發關鍵儲、制氫材料構建，特別是鎂基儲、氫材料製備與改性研究，17年於南京工業大學獲得工學博士學位後留校任教。目前在Advanced Materials，J. Mater. Chem. A, Small等學術期刊發表SCI論文45篇，參編英文專著一部。申請發明專利4項，授權2項。入選江蘇省「雙創計劃」科技副總。擔任Energy Storage Mater等多個期刊的審稿人。主持承擔省級以上項目4項，包括國家自然科學基金面上項目和青年基金項目各1項，江蘇省自然科學基金青年基金項目和江蘇省高校自然科學研究面上項目各1項。
【第一作者介紹】
劉江川：南京工業大學朱雲峰教授課題組博士研究生，研究方向為催化改性鎂基材料的儲氫性能和制氫性能以及第一性原理催化計算。
【課題組介紹】
南京工業大學氫能源團隊由朱雲峰教授負責，是屬國內較早展開鎂基儲氫材料研究的課題組之一，至今已經在該領域深耕20餘年，經驗豐富，在氫能源開發研究領域所做出的貢獻在國內外產生了較大的影響。團隊成員包含教授3名（其中江蘇省特聘教授1名）、副教授2名、碩博士20餘名，是一支由中青年教師領銜的結構合理、經驗豐富、精力充沛的研究團隊。