生物质电氧化制氢新突破！高性能FeWN₂电催化剂显著提升能源转化效率

中国科学报 2025-03-19

近日，深圳理工大学院士工作站教授、中国科学院院士成会明，材料科学与能源工程学院助理教授彭晶团队在Angewandte Chemie International Edition期刊发表最新成果，揭示了FeWN₂纳米片反位缺陷在烯醇电氧化耦合析氢反应中的关键作用。

在当前能源研究领域，寻找高效、可持续的制氢方法是关键课题。通过生物质电氧化制氢，因具有降低阳极氧化能垒、同时生产有价值化学品的优势，成为极具潜力的研究方向。然而，由于生物质中高能C-H和O-H键难以裂解，现有生物质电氧化系统在达到工业规模电流密度方面面临瓶颈，限制了其进一步发展与应用。

研究如下：

目前全球99%的以上的甲醇是由煤或者天然气作为原料生产（称为传统甲醇）。

针对这一难题，成会明和彭晶团队开发出一种具有丰富反位缺陷（ASDs）的三元层状氮化FeWN₂电催化剂，显著提高了其抗坏血酸（AA）氧化的电催化性能。实验结果显示，在60°C的双电极电解槽环境下，当电压为0.69V（vs. RHE）时，电流密度可达 2.5A/cm-2；电压提升至1.12V时，电流密度高达4A/cm-2，且此时制氢的法拉第效率达到100%，实现了极高的能源转化效率，这意味着在这个过程中，几乎所有参与反应的电子都被用来产生氢气了，一点都没浪费！

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图1 | FeWN2的制备及微观结构。a 氮化纳米片的合成示意图。FeWN2的b SEM，c TEM，d HRTEM图像。e FeWN2的HAADF-STEM及相应的元素图。f FeWN2的XRD谱图及相应的粉末衍射卡片。g-i Fe 2p，W 4f和N 1s的XPS光谱。

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图2 | 电化学性能。a 不同浓度AA的LSV极化曲线。b 在1 M AA溶液中，扫描速率为5 mV s-1时，使用不同MWN2的AAOR的LSV极化曲线。c MWN2在10、100和500 mA cm-2下的性能比较。d 各种非贵金属电催化剂在10、100、500和1000 mA cm-2下的性能比较。e 在1 M AA电解质中，在100 mA cm-2下，FeWN2能长期稳定180小时。f 在1 M AA溶液中，扫描速率为5 mV s-1时Fe基和WN基催化剂的LSV极化曲线。

研究过程中，团队通过原子分辨率表征技术，对FeWN₂纳米片的微观结构进行深入分析，发现里面存在反位缺陷（ASDs），就像材料内部有一些特殊的“小机关”。和其他类似的催化剂相比，FeWN₂在催化抗坏血酸（AA）氧化反应时，性能遥遥领先，在100mA/cm-2的电流密度下，它能长期稳定180小时！

FeWN₂为什么这么厉害？

科研团队通过理论计算找到了答案

FeWN₂纳米片中Fe和W之间的反位缺陷（ASDs）致使电荷分布不均匀，这样一来，催化抗坏血酸（AA）就更容易吸附在催化剂表面，然后被快速“激活”，氧化成脱氢抗坏血酸（DHA）。同时，反电极Fe位点附近的W原子还补充了Fe的电子密度，维持了适度的 Fe-DHA 吸附强度，从而显著提高了催化效率。

此项研究成果为开发高性能的有机氧化催化剂提供了新的研究思路，展示了FeWN₂纳米片在实际电催化应用中的巨大潜力，有望推动电催化制氢技术向工业化应用迈进，为未来能源领域的可持续发展提供有力支撑。

团队成员陈正杰、邵启婷为论文共同第一作者，成会明、彭晶为论文共同通讯作者。

相关论文信息：https://doi.org/10.1002/anie.202500678

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