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杨诚课题组在Energy & Environmental Science杂志发表重要成果 2019-10-31 |

近日,我院杨诚副研究员与南洋理工大学的范红金教授合作发表了一种基于镍-铁纳米线阵列的超高活性且无粘结剂的OER电极的研究成果,它可在高达1000 mA cm-2的电流密度和创纪录的低过电位下稳定进行水分解长达120个小时。在实现廉价电解水制氢的商业应用上,该成果向前跨出了重要的一步。

氢气作为理想的清洁能源,受到了越来越广泛的关注,同时,关于氢气的研究也更为深入。生产氢气是作为氢能源利用的第一步。电解水制氢技术具有可分布式的特点,同时在生产过程中不产生温室气体等污染物,更加清洁环保,因此对未来氢能源的商业利用意义重大。目前,基于质子交换膜的电解水技术已小规模商业应用。但是因该电解水技术无法使用不耐酸的贱金属,不得不使用铂、铱等贵金属催化剂,所以成本非常高,难以大规模推广。

因此,多年来科学家们致力于开发碱性条件下电解水的电极材料,希望能摆脱对贵金属材料的依赖。当中最受人关注的是镍-铁(NiFe)氧化物和氢氧化物电极。镍-铁(NiFe)氧化物在碱性介质中具有较高的析氧反应(OER)催化活性,是实现高效分解水的关键催化剂,但是因为其催化活性和寿命不佳,离达到工业应用的要求尚有距离。

总体而言,要实现优异的电解水效率,除了要选择好的催化剂外,还必须设法提高氢气泡=·脱离速率、增加气液固三相界面的电荷转移效率、以及提升电极本体材料的导电性和力学强度。因此,构筑出大范围结构有序可控的Ni-Fe基合金微纳阵列,并在其表面原位生成高活性NiFe氧化物和氢氧化物,有利于解决上述全部问题。基于这一研究思路,我院杨诚课题组与新加坡南洋理工大学范红金合作,通过杨诚课题组独有的匀强磁场化学反应装置,先合成出NiFe纳米线阵列,并在其表面原位形成的超薄(1-5 nm)、非晶态NiFe羟基氧化物(壳)的电催化剂(NixFe1-x-AHNA)。(如图1所示)在碱性介质中,这种OER电极在高电流密度500 mA cm-2、1000 mA cm-2的过电位分别低至248 mV和258 mV,此数据远低于已报道的水平,同时塔菲尔斜率仅为34.7 mV dec-1,并可保持稳定超过120个小时。基于这种OER电极以及纯Ni纳米线HER电极的碱性水电解池,可在1.76 V的超低电压下达到1000 mA cm-2的工业级电流密度,这一性能远优于目前的工业催化剂。相关成果发表在能源环境领域期刊Energy & Environmental Science (IF=33.25)上,第一作者为杨诚指导的工程硕士生梁才武。

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图1 (a) NiFe纳米线合成步骤以及其原位生成高OER活性的Ni0.8Fe0.2-AHNA电极。(b-c) Ni0.8Fe0.2-AHNA电极扫描电子显微镜照片。图片来源:Energy Environ. Sci.


具体说来,如图2a所示,Ni0.8Fe0.2-AHNA基电解池的能量转换性能要优于基于IrO2和Pt的电解池性能。当在电流密度为20、100、500 mA cmgeometric-2下反应24小时后,Ni0.8Fe0.2-AHNA电解池仍然可以全解水并且性能几乎没有变化(图2b)。在室温下,该电解池仅需要1.41 V的电压即可达到全解水电流密度10 mA cmgeometric-2,而大多数已报道的水电解池通常需要高于1.50 V的电压才能提供相同的电流密度(图2c)。如图2d所示,现大多数已报道的电池在1.7 V时电流密度仍低于100 mA cmgeometric-2,而Ni0.8Fe0.2-AHNA基电解池则高达500 mA cmgeometric-2,在1.76 V时可高达1000 mA cmgeometric-2。这些结果表明基于Ni0.8Fe0.2-AHNA的碱性水电解池效率高、成本低,具有在工业上推广大规模使用的巨大潜力。


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图2 (a) 采用Ni纳米线阵列与Ni0.8Fe0.2-AHNA的全电解池催化活性。相比氧化铱//铂的贵金属全电解池性能有明显优势。(b) 在不同的工作电流下,Ni0.8Fe0.2-AHNA体现出良好的稳定性。(c) Ni0.8Fe0.2-AHNA与近期报道的高性能OER电极性能的对比图。(d) 1.7 V全电解池下工作电流大小对比。图片来源:Energy Environ. Sci.


该NixFe1-x-AHNA催化剂在碱性条件下可高效且持久地实现OER电催化,同时在原位形成高活性的非晶态NixFe1-x羟基氧化物。该氧化物具有大表面积的纳米线“森林”形貌、极低的电荷传递电阻、以及高效的气泡释放能力。经过优化的催化剂Ni0.8Fe0.2-AHNA在一摩尔氢氧化钾溶液中的催化性能优于最先进的IrO2催化剂,也胜过其他已报道的非贵金属催化剂。这项工作表明,可以通过合理地设计常见的非贵金属NiFe材料的电极结构来获得极高的电解水性能,以满足碱性水电解的工业标准。

杨诚近年来在多物理场(磁场、电场、浓度场等)辅助控制金属微纳结构演化机理方面取得了多项重要的成果,获得了雪花状分形银枝晶、铁磁性纳米线阵列、以及金属微纳多级阵列结构等多种复杂的周期性金属微纳结构,并实现了多种金属元素成分结构的连续可调。这类具有复杂结构特征的微纳结构在储能、催化以及电子领域展现出独特的性能优势和广泛的应用前景。(文/梁才武 图  编辑/舒欢)

 

文章链接:https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/ee/c9ee02388g#!divAbstract