氧化与还原——同源钴镍基纳米线作为高效电分解水产氧和产氢催化剂

电化学分解水是一种被广泛应用的可从水中制备清洁氢气能源的方法,其提高效率与降低成本的关键在于是否能够获得性能高效、价格低廉、且易于制备的产氢和产氧催化剂,以替代目前主要使用的高成本的贵金属基催化剂。近年来,钴镍基氧化物与硫化物因其出色的催化性能,相对廉价的原料,且易于制备可控的形貌,在产氧和产氢催化应用方面受到了研究领域的关注。复旦大学先进材料实验室和化学系的郑耿锋教授课题组采用了利用水热合成法制备了钴酸镍(NiCo2O4)纳米线,并进一步通过高温硫化处理,将其转变为硫化钴镍(Ni0.33 Co0.67S2)纳米线结构。这两种钴镍基纳米线材料都具有高比表面积、高的导电性能与高的催化活性,并可串联组成基于全纳米线催化剂的电分解水器件。其相关结果发表在近期Advanced Energy Materials上(doi: 10.1002/aenm.201402031)。

在该工作中,研究人员首先采用水热合成法制备具有介孔结构的尖晶石型NiCo2O4纳米线,并测得其具有优良的电催化产氧性能。之后,通过化学气相沉积法将NiCo2O4纳米线硫化,制备获得具有黄铁矿型的Ni0.33 Co0.67S2纳米线。实验结果显示,与具有单一组成的硫化钴(CoS2)和硫化镍(NiS2)相比,Ni0.33 Co0.67S2纳米线由于其具有独特的一维纳米线结构及其优异的电荷传输能力,在酸性、中性、碱性这三种电解液中均显现出了更低的电催化启动电位、更高的电流密度,且更有利于电催化分解水过程中气体从电极上的产生。与之前的研究相比,该类Ni0.33 Co0.67S2纳米线为目前报道的具有最好催化产氢性能的非贵金属催化剂之一。此外,研究人员还将这两种钴镍基纳米线(NiCo2O4和Ni0.33 Co0.67S2)电极分别作为产氧、产氢催化剂,串联制备了基于全纳米线催化剂的电分解水器件,在碱性电解液条件下展现出了低的电解水启动电位、较高的电流密度以及良好的工作稳定性。该类钴镍基纳米线材料合成方法简单、价格低廉,为今后进一步发展可取代高价的贵金属基催化剂,应用于电化学分解水领域提供了实用的前景。Untitled