电子科技大学张妍宁/孙旭平,​Adv. Sci.!

学术   2024-10-22 08:30   广东  
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到目前为止,贵金属材料Pt、Ru和Ir仍然是最先进的水分解电催化剂。然而,它们的高成本和稀缺性严格限制了其大规模应用。因此,过渡金属基电催化剂是贵金属材料的良好替代品。但是,由于高阳极电位和高阴极电位的强电化学氧化和还原腐蚀,使得制备活性高、耐久性好的材料极为困难。由于缺乏珍贵的淡水资源,海水是水分解的理想替代电解质。
然而,在海水分解过程中,除了阳极氧化外,析氯反应(CER)在高阳极电位下与OER竞争生成ClO,这不仅降低了海水分解效率,而且由于ClO的化学腐蚀导致电催化剂的耐久性差。因此,目前迫切需要开发高效的过渡金属基电催化剂用于高电流密度下海水电解。
近日,电子科技大学张妍宁孙旭平等采用简单的水热和磷化工艺,合理地设计和制备了三维层次结构的NixCo1-x(PO3)2/MoOx (NiCoMoPO)异质结纳米线。实验结果和理论计算表明,NiCoMoPO三维纳米线结构和异质结构提供了大量的活性位点,而异质结构优化了电子结构,提高了HER和OER的固有活性。
同时,PO3的引入使得速率决定步骤由形成*O转化为*OOH的形成,降低了OER反应的能垒,加速了反应动力学。此外,PO3还能通过静电屏蔽阻止Cl腐蚀电催化剂,提高其海水分解耐久性。
性能测试结果显示,在碱性淡水中,NiCoMoPO达到1000 mA cm-2电流密度所需的OER和HER过电位分别为467和442 mV;以NiCoMoPO组装的双电极电解池在碱性纯水中仅需2.135 V的电池电压就能达到1000 mA cm-2;在海水电解质中,该电解槽能够在500 mA cm-2下连续运行1200小时,电池电压几乎未发生下降(2.096 V),显示出巨大的实际应用潜力。
总的来说,这项工作通过多原子阴离子实现了材料的抗氯腐蚀和性能提升,对于合理设计和制备高电流密度的海水/淡水分解电催化剂具有重要的指导意义。
Bimetal metaphosphate/molybdenum oxide heterostructure nanowires for boosting overall freshwater/seawater splitting at high current densities. Advanced Science, 2024. DOI: 10.1002/advs.202407892
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