利用自发的电置换反应(Galvanic Replacement Reaction)制备高效稳定的镍铁电催化剂用于水分解反应

鉴于人类目前所面临的能源和环境危机,发展可再生、清洁无污染的新能源成为当今科学界面临的一个重大挑战。氢气由于具有燃烧热值高,产物无污染和利用形式多样化等特点被认为是“21世纪最有前景的新能源”。与蒸汽甲烷转化法和水煤气法相比,电解法以水为原料,是一种清洁、可持续的大规模制备氢气的方法。在电解水反应中,水氧化析氧半反应(OER)相对于水还原析氢半反应(HER)无论在热力学或是动力学上都具有较大的难度,成为整个水分解体系能量转化效率的瓶颈。为了降低电解水的能耗,催化剂是其中的关键。开发基于廉价第一过渡系金属的水氧化催化剂是目前水氧化催化研究的一个重要课题。镍-铁共掺杂电催化剂由于镍-铁的协同效应,其催化性能较单金属基催化剂大大增强,是目前最有应用前景的水氧化电催化剂之一。为了能应用于实际生产,镍铁基催化剂应易于大规模工业化制备,并且要求催化剂具有高度的稳定性,特别是在强大气泡的冲刷下能够保持稳定的催化性能。

AENM-chenzuofeng

近日,同济大学化学科学与工程学院陈作锋课题组报道了一种利用自发的电置换反应(Galvanic Replacement Reaction, GRR)制备具有三维纳米片结构的镍-铁基催化剂电极的新方法(见图)。该方法利用不同金属间固有的电化学势差作为反应驱动力,只需将三维结构的泡沫铁基底电极浸泡在含有镍离子的溶液中即可完成催化剂电极的制备,无需消耗任何能量,制备方法简单。该催化剂电极具有特殊的三维纳米片结构,且无需使用粘合剂,表现出很高的水氧化电催化性能,根据Tafel曲线,在1 M的KOH溶液中电流密度达到1000 mA/cm2只需要300 mV的过电位,并且在长时间的电解过程中电流保持稳定。这种方法具有很好的拓展性,同样可适用于制备钴-铁甚至镍-钴-铁三元电极。对所制备镍-铁电极进行磷化,可进一步制备具有良好催化性能的镍-铁磷化物产氢催化剂。该二元金属磷化物与氧化物所组装的两电极全反应电解装置表现出良好的电催化分解水的性能。

总之,这种利用不同金属之间固有的电化学势差作为反应驱动力的制备方法,具有无需消耗任何能量、简单、高效,以及可适用于制备多种二元甚至三元金属基催化剂的优点。同时,此类由电极基底通过自发的电置换反应原位生长制备的三维纳米片催化剂还具有结构稳定,不易脱落,无需粘结剂等优点。以上研究为构建廉价、高效、稳定的新型水分解电催化剂提供了新的制备方法和设计理念,为降低电解水产氢的能耗提供了切实可行的方案。相关工作在线发表在Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.201700107)上,课题组博士研究生汪建营为论文第一作者。

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