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電解水中的析氧反應

2021.6.29

非貴金屬催化劑的本征活性低。

  氫能是一種理想的能源載體,開發(fā)大規(guī)模、廉價、清潔、高效的制氫技術(shù)是氫能有效利用的關(guān)鍵。電解水由于環(huán)境友好、產(chǎn)品純度高以及無碳排放而成為具有應用前景的綠色制氫方法之一。限制電解水制氫大規(guī)模應用的最重要瓶頸是如何大幅降低其電能消耗,因而大幅降低制氫成本。其關(guān)鍵是發(fā)展廉價、易制備的高性能非貴金屬電解水催化劑,有效降低電極上析氧反應(OER)和析氫反應(HER)的過電位,實現(xiàn)在低槽壓下的大電流產(chǎn)氫。

  在國家自然科學基金委、科技部和中國科學院的支持下,中科院化學研究所分子納米結(jié)構(gòu)與納米技術(shù)重點實驗室胡勁松課題組致力于高性能非貴金屬電催化劑的設計、可控構(gòu)筑與催化機制研究。他們近年在非貴金屬電解水催化劑高本征活性位點的設計與調(diào)控、高密度高活性有效催化位點的設計與可控構(gòu)筑、基元反應導向的高活性位點組合設計、高速傳荷與傳質(zhì)的三維網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)電極設計等方面取得了系列進展(ACS Nano, 2016, 10, 851; J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 8320; Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 6572; Adv. Mater. 2017, 29, 1703311; Adv. Sci., 2017, 4, 1700084; Adv. Energy Mater. 2018, 8, 1800734; Adv. Energy Mater. 2018, 8, 1801698; Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1704594; Small Methods 2019, 3, 1800317)。近期,他們發(fā)展了一種新的原位電化學轉(zhuǎn)化策略,通過原位非金屬Se摻雜實現(xiàn)了低成本、高性能的鐵基析氧電解水催化劑,相關(guān)結(jié)果發(fā)表于J. Am. Chem. Soc., 2019, 141, 7005,并入選雜志封面。

因與析氧反應中間物種合適的吸脫附能力,鎳和鈷通常是高性能OER催化劑必不可少的組分。雖然鐵元素遠比鎳與鈷儲量豐富,價格低廉得多,但目前鐵基催化劑析氧性能遠低于鎳與鈷基材料。研究人員首先借助理論計算揭示非金屬Se摻雜可以顯著改善全鐵基FeOOH催化劑的電化學析氧決速步驟?;诖?,發(fā)展了一種簡便的原位電化學活化策略,通過在OER條件下將三維導電低成本泡沫鐵基底上原位生長的FeSe垂直納米片陣列原位電化學活化轉(zhuǎn)化為Se摻雜的FeOOH納米片陣列,使該全鐵基催化劑同時具有高本征活性位點和高的電化學活性面積,因此表現(xiàn)出與全鎳或全鈷催化劑性能相當?shù)腛ER電催化活性。該策略同樣適用于少量鎳摻雜的富鐵催化劑的制備,使少量鎳(3.3 at%)摻雜的富鐵催化劑可以實現(xiàn)與最佳富鎳或富鈷催化劑相媲美的電催化OER性能。在電流密度500 mA cm-2時的過電位僅需348 mV,并具有優(yōu)異的穩(wěn)定性。將該催化劑應用于電解水裝置,電流密度50 mA cm-2時的槽壓僅需1.62V。在實際太陽光驅(qū)動的水分解系統(tǒng)中,所述催化劑實現(xiàn)了18.55%的太陽光到氫氣的最高轉(zhuǎn)換效率之一。這些結(jié)果表明所述策略為開發(fā)新的儲量豐富、經(jīng)濟、高效的電解水電催化劑提供了一種可能的途徑。

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原位轉(zhuǎn)化Se摻雜策略構(gòu)筑低成本、高效鐵基析氧催化劑


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