NiO双功能助催化剂:助力RuO2全水电解

开发清洁能源转换与存储技术是实现可持续发展的必经之路。其中,利用太阳能、风能、水力等可再生能源所产生的电能进行电解水制氢,不仅可以获得氢气作为最清洁的化学燃料,用来替代传统的化石燃料,而且可以克服上述可再生能源在时空上的不均匀分布,从而有效地实现可再生能源的存储和利用。由此可见,电解水是一项极具前景的能源技术。然而,电解水技术的关键在于高效稳定的电催化剂。如何设计高活性高稳定性的催化剂是电解水研究的热点和难点所在,尤其是开发具有双功能特性的高效电催化剂。

目前,在电解水催化剂的研发中,主要存在两个策略:一个是寻找高性能的非贵金属材料来替代传统的贵金属电催化剂;另一个是想办法减少贵金属电催化剂的用量,同时提高贵金属催化剂的稳定性。对后者而言,常见的思路是设计贵金属与过渡金属的合金或者合金化合物。该方法往往依赖高通量量子化学计算和大量的试错法实验。因此,要想通过第二种策略在电催化剂设计方面取得突破需要广大科研人员打破传统思路,在理解反应机理的基础上进行更加合理的催化剂设计与可控合成。

近期,澳大利亚阿德莱德大学化工学院乔世璋教授课题组提出了NiO作为一种双功能助催化剂,通过NiO和RuO2之间的电势诱导协同效应同时提高复合催化体系的OER和HER催化性能,用以提高RuO2的双功能催化活性并减少其用量。该催化体系的设计主要基于大量的理论计算和机理研究。对于OER半反应,RuO2在OER“火山图”上从氧的弱吸附方向接近火山顶,在一定程度上加强RuO2对氧的吸附能力能够进一步提高它的OER活性。在OER氧化电位下,NiO先被氧化为NiOOH,所得NiOOH对氧具有强吸附性,因而能够提高RuO2的氧吸附特性来提升OER性能。另一方面,对于HER半反应,在碱性电解液中,NiO能够有效地促进水分子的裂解。在HER电位下,RuO2表面能够被还原为Ru,所得Ru对氢原子具有较强的吸附特性,因而能够加速吸附水裂解所产生的氢原子,从而提高HER动力学。该课题组采用简单的湿化学法合成出了由NiO和RuO2纳米颗粒构成的多孔纳米片阵列,其中RuO2的质量分数约为18.2%。测试表明,RuO2/NiO复合体系的OER催化活性比RuO2高出2.6倍,其HER催化活性与Pt/C相当。作为双功能催化剂,它只需要1.5 V就能取得10 mA/cm2的全水分解电流密度,超过了由Pt/C和IrO2组成的标准催化体系。同时,基于Tafel斜率的电化学理论分析和实验测试进一步证实了上述RuO2和NiO之间的电势诱导协同效应。

此项工作不仅为合理设计高性能电催化剂提供了新思路,也加深了对电解水反应过程中协同催化效应的理解,为指导开发更加优异的复合电催化剂奠定了一定基础。相关论文发表在Small(DOI: 10.1002/smll.201704073)上。

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