清华化工系实现“水火相容”预氧化制备钙钛矿催化剂


清华新闻网11月1日电 清华大学化学工程系反应工程实验室张强研究组实现“水火相容”预氧化制备钙钛矿催化剂。论文《水相预氧化法制备用于水氧化过程的钙钛矿电催化剂》(An aqueous preoxidation method for monolithic perovskite electrocatalysts with enhanced water oxidation performance)于2016年10月发表于《科学进展》(Science Advances)。

“水火相容”预氧化制备钙钛矿催化剂示意图。

水氧化反应(即氧析出反应)是能源转化过程的核心反应之一,也是金属空气电池、水分解过程高效进行的关键。钙钛矿结构催化剂具有超高的氧析出催化活性,但其导电性差,活性位暴露程度低。钙钛矿与导电骨架原位复合是在纳米尺度上有效调控并提升其导电性的有效手段。然而,钙钛矿结构的形成需要经历氧化性气氛下的高温煅烧,在这个过程中还原性的导电骨架往往被严重破坏。因此,氧化性活性组分与还原性导电骨架的原位复合存在化学本质上的固有矛盾

近期,清华大学化学工程系反应工程实验室的研究团队提出水溶液预氧化方法来解决氧化性-还原性“水火不容”的化学矛盾。选用镧钴铁钙钛矿/泡沫镍体系,在相对温和的水溶液条件下,通过二电子氧还原反应-钴的电芬顿过程-电沉积反应三步反应耦合及惰性气氛煅烧,实现了钙钛矿前驱物与导电骨架的原位复合,获得了三维纳米钙钛矿电催化剂。该催化剂表现出超高的氧析出反应活性,在在10 mA cm-2的电流密度下过电位仅为350 mV,且具有恒电位下10000秒电流密度不衰减的稳定性。

该工作提出了水溶液预氧化新方法,成功制备氧化性钙钛矿/还原性导电骨架复合电催化剂,表现出超高的水氧化活性。这样的合成方法学突破了氧化性-还原性复合在化学本质上的矛盾,提供了理性设计催化体系的新思路与方法。所得的三维钙钛矿电催化剂也有望进一步推动电解水、金属空气电池等能源存储与转化过程的推广和实用化。

该实验工作由清华大学化学工程系博士生李博权、唐城、王浩帆,博士后祝晓琳、教师张强完成。论文共同第一作者为李博权和唐城。该项工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、清华大学自主科研项目的支持。

论文链接: http://advances.sciencemag.org/content/2/10/e1600495

供稿:化工系 编辑:李华山 徐静

2016年11月01日 14:09:51  清华新闻网

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