二硒化镍/氧化镍复合电催化剂:提升硒化物全解水活性与稳定性的新思路

电化学全解水制氢是一项实用化且环境友好型工业技术,其电解过程中所需电能可以利用可再生风能、核能等获取,同时其产物氢气是一种零碳含量的可再生清洁能源,具有较高的热值和利用率,在工业和社会生活中是代替化石能源的“新宠儿”。然而,全解水反应受限于两个半反应(析氢和析氧反应)较大的活化能垒,在热力学和动力学上均难以直接实现,需要借助高效的电极催化材料来降低两个半反应的过电势,从而促进氢气的不断生成。目前,铂基材料和铱、钌氧化物等贵金属材料分别被认为是电化学析氢和析氧反应的高活性催化剂,但是其价格昂贵、自然丰度低、稳定性不好,制约了其在工业上的大规模应用。因此,开发制备高效稳定的非贵金属全解水催化剂,在降低能耗的同时减小催化剂的制备成本,对于目前该领域的研究来说仍然是一个亟待解决的难题。

相比于仅具有电化学析氢或析氧单功能的电催化剂,这种具有全解水双功能的非贵金属电催化剂可以同时作为阴阳两极在同一媒介和设备中进行电解工作,这样在降低催化剂的制备成本基础上,又简化了电解工作条件,成为一种目前在电极材料方面较为成功的解决方案。当前已有一部分非贵金属全解水催化剂被开发出来,尤其是以钴基和镍基为代表的过渡金属硫化物、磷化物、氢氧化物等,展现出了优异的性能。但是,在两电极全解水催化体系中,它们通常需要1.6V以上的电压来活化,而且稳定性也有待进一步提升。另一方面,已经报道的钴、镍基硒化物都仅展示出单功能电解水催化活性,对于其全解水催化性能鲜有报道。

清华大学化学系有机光电子与分子工程教育部重点实验室王训教授课题组报道了一种简便易行的溶剂热合成法,制备出非晶态氧化镍纳米颗粒均匀修饰的二硒化镍超细纳米线复合全解水电催化剂。1M KOH溶液中,这种复合材料在10 mA/cm2处的过电位低至132 mV和266 mV,同时其在两电极全解水体系中仅需1.547 V就可获得10 mA/cm2的电流密度,稳定性高达72小时。该电化学全解水活性和稳定性要远好于Pt/C-IrO2/C的贵金属电极组合。在此复合纳米结构中,外层修饰的氧化镍纳米颗粒不仅能够在电催化过程中有效保护二硒化镍避免其进一步氧化,而且提供了更多的催化活性位点来提升其催化活性。此外,非晶态材料拥有更多任意取向的化学键和更好的结构柔韧性,可以提升电化学反应物的吸附作用,从而获得更好的电解水性能。

相关论文发表在Small(DOI: 10.1002/smll.201701487)上,第一作者为清华大学化学系有机光电子与分子工程教育部重点实验室博士生李灏一。

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