高效水分解三维氧电极的构筑

 二十一世纪,人类所面临最大挑战是能源和环境问题。为实现安全、清洁和可持续的能源供给,人们不仅要着力提高现存化石燃料的利用效率,更要大力开发新能源。在所有可再生能源中,太阳能是最大的可利用资源,其在一小时内照射到地球表面的能量就足够满足全世界一年内对能源的需求。然而,太阳能的间隙性与能源需求连续性之间的矛盾使得太阳能的大规模利用必须以其能得到有效的存储为前提。电催化水分解获得氢燃料是大规模存储太阳能的一种有效的方式。然而,阳极氧析出反应是一个比较复杂和缓慢的过程,其限制了电解水的整体动力学性能和效率的提升。因此,发展一种具有高活性、高稳定性和低成本的氧析出电极对太阳能的规模化开发和利用具有极其重要的意义。

近日,中科院长春应化所张新波课题组提出一种新的氧析出电极的设计思路。作者首先在具有三维结构的商业泡沫镍骨架表面包覆简单的MOF材料(ZIF-8),然后通过适当的热处理使ZIF-8材料转化为多孔碳,最后在碱性电解液中直接阳极氧化使活性镍层材料填充到多孔碳的孔道中,制备得到了活性和稳定性好的新型三维氧析出电极。

 目前,文献中大量使用的氧析出电极的制备方式是在二维导电基底(如ITO)上沉积活性物质。为提高催化活性,增大材料的活性面积是有效的方式。泡沫镍因具有三维结构、导电性好和价格低廉等的优点,恰好能够满足三维氧析出电极的设计要求。另外,由于导电基底上沉积的催化氧析出活性层材料一般是电子惰性的,为避免电极材料表面反应产生的电子不能顺利地转移到导电基底上,研究者普遍倾向于在基底上沉积薄层的活性材料。而该工作巧妙地在活性阳极氧化镍内部引入多孔碳,这就好像为电子在材料表面和导电泡沫镍骨架间构建了一条条连续的“高速公路”,提高了材料整体的电子迁移率,使得电极的活性得到显著的提升。此外,多孔碳层不仅增加了整个电极的机械强度,还能有效抑制泡沫镍的深度阳极氧化,增强了电极的稳定性。此外,作者使用MOF材料转化为多孔碳层,也拓宽了MOF材料的用途。

该工作为解决现阶段氧析出电极制备过程中存在的问题,提出了一些创新的设计思路,又通过简单的实验证实了其可行性,对今后电极的进一步改善有借鉴意义。此外,所设计和合成的三维电极也可以扩展到锂离子电池、钠离子电池、锂空电池或超级电容器等其它应用领域。上述成果近期发表在Angew. Chem. Int. Ed., 2013, 52, 5248上,并被选为”Hot Paper”和“Frontispiece Paper”。

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