H2O2-N2H4直接聯(lián)氨燃料電池(DHzFC)因其具有高的能量密度而受到廣泛關(guān)注。在H2O2-N2H4 DHzFC中，陰極反應(yīng)為H2O2還原，而陽極反應(yīng)為N2H4氧化。此外，由于HzOR的理論熱動力電位較低，因此將整體水分解(OWS)電解槽改為整體肼分解(OHzS)電解槽，可以大幅降低制氫的能源消耗。
此外，肼用于各種工業(yè)、農(nóng)業(yè)和制藥部門，具有毒性和致癌潛力。因此，利用N2H4工業(yè)廢水作為燃料構(gòu)建DHzFC-OHzS自驅(qū)動系統(tǒng)不僅能夠生產(chǎn)綠色氫氣，而且為廢水的處理提供了潛在的途徑。為了實(shí)現(xiàn)這樣一個高效率的自供電系統(tǒng)，需要探索有效的電催化劑，確保達(dá)到“一石二鳥”的目標(biāo)。近日，華中科技大學(xué)王春棟和香港城市大學(xué)王昕等采用自犧牲模板策略構(gòu)造了具有高Ru負(fù)載的二維MOF催化劑(NiRu-ABDC)，其具有與前體Ru-Ni(OH)2相似的配位環(huán)境。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所制備的NiRu-ABDC中Ru的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.41 wt%，是傳統(tǒng)溶劑熱法制備的H-NiRu-ABDC的(0.86 wt%)的6.29倍。同時(shí)，NiRu-ABDC催化劑在10 mA cm-2電流密度下的HER和HzOR電位分別為?28和?83 mV。隨后，研究人員構(gòu)建了一個雙電極OHzS電解槽(NiRu-ABDC??NiRu-ABDC)，其在0.029 V和0.15 V下分別產(chǎn)生10和100 mA cm-2的電流密度，優(yōu)于最先進(jìn)的Pt/C??Pt/C電解槽(η10=0.12 V，η100=0.66 V)。此外，利用NiRu-ABDC和Pt網(wǎng)作為陽極和陰極組裝了DHzFC (NiRu-ABDC??Pt net)，在80 °C條件下提供1.74 V的高開路電壓和386.90 mW cm-2的最大功率輸出。最后，建立了一個自供電的概念性制氫系統(tǒng)，其中雙電極電解槽(NiRu-ABDC??NiRu-ABDC)在DHzFC (NiRu-ABDC??Pt net)的驅(qū)動下以14.3 mol h-1 m-2的生產(chǎn)速率制氫。密度泛函理論(DFT)計(jì)算表明，Ni-ABDC在摻入Ru后d帶中心上移，加速了中間體(如*H2O、*H和*OH)的吸附和*N2H4的脫氫反應(yīng)，從而提高了Ni-ABDC的制氫性能；并且，Ru摻雜促進(jìn)了Ni-ABDC結(jié)構(gòu)中的電子定域，增強(qiáng)了M-O鍵，保證了催化劑的穩(wěn)定性。Ru-enriched metal–organic framework enabling a self-powered hydrogen production system. ACS Catalysis, 2024. DOI: 10.1021/acscatal.4c03722
