河北科技大学陈爱兵教授团队：熵驱动高混沌镍钼磷硫氧化物用于废旧太阳能电池再利用及耦合肼降解制氢

▲高学清、何蓉蓉、杜鹃、周道进、陈爱冰*、孙晓明

河北科技大学、北京化工大学

太阳的 - 。

背景

氢气因其优越的能量密度及零碳排放特性，被认为是解决当前能源问题的最佳方案之一，相较于传统石化制氢，利用光伏电解制氢是一种极具吸引力的新兴能源方式，但为了驱动水电解反应，需要大量高功率的太阳能电池，目前本世纪初安装的光伏组件已开始陆续退役，预计到2030年全球报废的太阳能电池将达到数百万吨。一般而言，废弃的太阳能电池还能释放出少量的电能，若将废弃的太阳能电池重新利用，不仅可以延长光伏产品的使用寿命，还可以减少废弃电池对环境的影响，但如何利用剩余的废旧太阳能电池中所含的微量电能，仍是一个行业难题。

本文的研究思路及亮点

该工作通过废旧太阳能电池的剩余能量模拟了肼的降解及电解水制氢。具体而言，整体肼分解由熵驱动的高度混沌的镍钼磷硫氧化物电极驱动，电解电压极低，仅在0.039 V即可达到10 mA cm−2，并在70 h内表现出良好的耐久性。SECM和DFT计算表明高度混沌的特性对其双功能催化性能有显著的影响。在低能肼热解条件下，整体肼裂解速率可达1600 mA cm−2。该工作为未来太阳能电池再利用和节能制氢提供了有效的策略。

1.采用易于控制和放大的大电流电化学沉积方法，制备了熵驱动的具有分级纳米柱阵列结构的高度混沌材料。

2. 与低混沌材料相比，高混沌材料暴露出更多的活性位点，在碱性条件下对肼氧化反应（HzOR）和析氢反应（HER）表现出优异的电催化活性。

3.利用废弃的0.551V商用太阳能电池驱动组装的双电极电解，可以达到 cm−2的高电流密度，足以满足工业制氢的需要。

▲图1 废旧太阳能电池驱动整体肼裂解。

催化剂合成与表征

NCA/NF具有分级纳米柱阵列结构，在泡沫镍3D骨架上均匀致密生长，而1D柱则由小0D球体堆积而成，这种结构显著增加了NCA/NF的可用表面积，并抑制了气泡快速堆积造成的气膜消除，并在高电流密度下使活性位点迅速重新暴露。

▲图2 NCA/NF的形貌与结构表征。

催化性能研究

NCA/NF仅需要−59 mV的低电压就能达到10 mA cm−2；NCA/NF在10 mA cm−2时的HER过电位极低，为41 mV，方向的偏移表明肼电解的热力学优势。在电流密度达到10、100、500和800 mA cm−2时，OHzS仅需要0.039、0.153、0.319和0.406 V，而OWS则需要较大的1.365、1.603、1.71和1.765 V电压。并且OHzS在0.46 V的超低电压下就能获得1000 mA cm-2的超大电流密度，73 h内It曲线波动很小。利用0.551 V废旧太阳能电池，通过模拟太阳光照射，反复开关循环可产生1600 mA cm−2的电流密度。NCA/NF优异的双功能性能进一步证明了其替代传统OWS用于实际H2生产的可行性。

▲图3 NCA/NF||NCA/NF整体肼裂解（OHzS）性能。

催化机理探讨

扫描电化学显微镜（SECM）的不同反馈图样证明NCA具有与ITO不同的金属特性，即NCA是高导电性的金属，而ITO是导电性相对较低的半导体。这一现象证实了其高度混乱的金属性质。高度混乱的整体DOS也显示出其金属性质。金属特性有利于电催化反应中的电荷转移，其导电性可以被认为是其电催化性能提高的主要原因之一。

▲图4 NCA的SECM和DOS研究。

微分电荷密度分布表明Ni位带负电荷，在HER中易被消耗；带正电荷的Mo位有利于肼的氧化反应。与NiP2和Mo位相比，氢在Ni位的吸附自由能值更接近于0，说明Ni位更有利于H的吸附和解吸，是主要的HER活性位。与NiP2和的Ni位相比，Mo位的总肼氧化能垒更低，表明Mo位是HzOR的活性中心。

▲图5的原子模型及其HzOR和HER的DFT计算。

综上所述

为了解决太阳能水电解制氢中固体废物处理和光伏组件巨大电力消耗两大难题，开发了一种将制氢与肼氧化相结合并利用废旧太阳能电池的优异策略。通过开发具有金属性质和适当电荷重新分布的高度混乱电极来挖掘此方案的潜力。通过此方案，与一般碱性水电解制氢相比，电力成本降低了约73％。这项工作为废弃太阳能电池的再利用和低成本制氢提供了一种简单有效的方法。

关于作者

陈爱兵教授，博士生导师，河北科技大学化工与制药工程学院副院长。英国皇家化学学会会士，入选2022年世界十万杰出科学家名单和全球前2%科学家名单。河北省“三三三层次人才”第二层次人选、河北省青年科技协会会员、河北省高校百名杰出创新人才、河北省优秀硕士生导师，发表《材料工程》、《天津大学学报》等多篇论文。主要研究方向为多孔材料的可控制备及其在吸附分离、CO2捕集与转化、药物控制释放、电能存储与催化转化、可再生能源制氢与综合利用、氢气存储（气相/固相）等方面的应用。近年来主持国家自然科学基金、河北省重点研发计划项目等30余项，以第一作者或通讯作者在J. Am. Chem. Soc., 、 Adv. Funct. Mater., 、 Small等国际一流期刊发表SCI论文280余篇，获得专利20余项。

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