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广工大《JMCA》:一种新型同源异质结催化剂用于大电流密度电解

 材料科学网 2022-06-28 发表于江西

随着对化石燃料的依赖日益增加,极端环境污染导致生态失衡和能源短缺。电化学水分解制氢可以为储存化学工业燃料提供了一种前瞻性策略。两个半反应HEROER都是动力学迟缓的,导致在特定的应用中会消耗多余的能量。商用贵金属Pt/CRuO2有利于水的解离,但是它们的储量很少,严重限制了它们在氢气生产中的大规模应用。近些年来,研究者们已经做出了无数的努力来寻找合适的替代品,例如非贵重过渡金属(FeCoNiMnV),包括它们的硫属化物、氢氧化物和磷化物等。但是上述催化剂的水分解主要是在1000 mA cm-2水平以下发生,所以尚未在整个工业化范围内实现。大电流密度下的HER性能受到固有活性位点少或活性位点暴露不足的限制。并且,高电流密度下的质量(液--气)转移严重阻碍了电解液在水分解中的快速消耗。因此,设计具有可调节局部电荷的催化剂以促进水解离和快速传质在大电流密度的电解中显得至关重要。

近日,来自广东工业大学的研究团队制备了生长在碳纤维纸(CFP)上的3D同源NiCoP@NiFeP异质结阵列,其中同源元素和相似的晶体结构将确保紧密耦合以提高活性界面的可及性。同时,3D阵列形态有助于催化剂表面的疏气性,以保证H2气泡在高电流密度下的有效逸出。得益于优异的界面电荷和质量传输,所制备的NiCoP@NiFeP异质结阵列表现出的优异HER性能,只需要316 mV的低电势即可实现300 mA cm-2的电流密度,并且也只需1.93 V的较低电池电压来驱动1000 mA cm-2的整体水分解,超过了基准RuO2 || Pt/C的水分解活性。相关文章以“Homologous NiCoP@NiFeP heterojunction array achieving high-current hydrogen evolution for alkaline anion exchange membrane electrolyzers”为题发表在Journal of Materials Chemistry A

1 (a)合成方案;(b) NiCo@NiFe/CFP前驱体的SEM图像;(c)不同放大倍率的 NiCoP@NiFeP/CFP(d)–(g) HRTEM(h) NiCoP@NiFeP/CFPHAADF-STEM-EDS映射。

2 NiCoP@NiFeP/CFPNiCoP/CFPXPS光谱。(a) NiCoP@NiFeP/CFPXPS总谱;(b) Fe 2p(c)Ni 2p(d) Co 2p(e) P 2p(f) O 1s

3 (a)样品在1 M KOH溶液中的HER极化曲线;(b)相应的塔菲尔图;(c)奈奎斯特图;(d) 1.0337 V时的电容电流密度差(Δj = ja - jc)与扫描速率的关系;(e) HER实现10 mA cm-2电流密度所需的过电位比较;(f)对应的多电流阶跃曲线。

4 (a)-(c) NiCoP-NiFeP界面的电子密度差异图;(d)–(f) NiCoP@NiFePNiCoPNiFeP系统的态密度;(g)照片显示Pt箔和NiCoP@NiFeP表面释放H2气泡期间的鲜明对比,比例尺为1 mm(h) Pt箔和NiCoP@NiFeP表面H2气泡的尺寸分布。

5 (a)样品在1 M KOH溶液中的OER极化曲线;(b)相应的塔菲尔图;(c)奈奎斯特图;(d) 1.1507 V时的电容电流密度差(Δj = ja - jc)与扫描速率的关系;(e)对应的多电流阶跃曲线;(f)整体水分解的极化曲线;(g)对应的多电流阶跃曲线。

6 (a) AEM水电解槽示意图;(b) NiCoP@NiFeP AEM水电解槽在1 M KOH溶液中的极化曲线;(c)NiCoP@NiFeP AEM水电解槽在1000 mA cm-2的电流密度下的计时电位曲线;(d) NiCoP@NiFeP AEM水电解槽与报道的高电流密度水电解槽的比较。

总之,作者报道了一种新型的3D NiCoP@NiFeP同源异质结阵列,以实现局部电荷分布和质量传输的多尺度协调调节。DFT计算表明,强耦合均匀NiCoP@NiFeP界面处的明显电荷转移调制了d带中心,因此有利于HER过程中中间体的适当吸附。同时,同源界面和3D阵列的集成确保了快速的传质(电解质补给和气泡溢出)和高机械稳定性。这使得能够在碱性条件下实现出色的HER性能(300 mA cm-2@316 mV),同时超过高电流下的Pt/C析氢活性。此外,同源异质结的设计直接在真实的AEM电解槽中运行,它表现出1.93 V的稳定电池电压,可在100小时内提供1000 mA cm-2的恒定催化电流,显着优于基准RuO2 || Pt/C。这一实际应用为高效电催化剂从实验室推向实际应用提供了示范。(文:暖阳)

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