同源钴镍基纳米管/纳米片作为高效的电分解水催化剂

        电化学分解水作为一种制备清洁能源氢气的方法,关键在于合成制备性能高效、稳定性突出、环保低廉的产氢和产氧催化剂,以替代高成本的贵金属基催化剂。近年来,非贵金属的钴镍基氢氧化物、氮化物等,因其优越的催化性能,相对廉价的原料,在电解水产氧和产氢催化应用方面受到了广泛关注。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液相阳离子交换法,在导电基底上制备了钴镍基氢氧化物纳米管/纳米片,并通过气相阴离子交换,将其转变为钴镍基氮化物纳米管/纳米片结构。这两种同源的钴镍基纳米材料具有高的比表面积、快速的电子传导速率与优异的催化活性,并可组成电催化全分解水器件。其相关结果发表在近期Advanced Energy Materials上(doi: 10.1002/aenm.201501661),并被选为该期杂志的封底。

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         在该工作中,研究人员首先以Cu2O纳米线为牺牲模板,通过阳离子交换制备了钴镍基氢氧化物(CoNi(OH)x)纳米管/纳米片。CoNi(OH)x具有高活性的Co2+八面体结构,利于电催化产氧反应,它的产氧启动电位为1.48 V,塔菲尔斜率为77 mV·dec-1,在1.65 V电位下催化电流高达490 mA·cm-2,并具有良好的催化稳定性。之后,通过化学气相沉积法将CoNi(OH)x纳米管/纳米片进行氮化,获得了钴镍基氮化物(CoNiNx)纳米管/纳米片。CoNiNx在碱性电解液中显示出很好的产氢催化性能,具有低的产氢启动电位、高的催化电流和很好的稳定性。此外,研究人员还将钴镍基氢氧化物和氮化物纳米管/纳米片电极分别作为产氧、产氢催化剂,串联制备了电催化全分解水器件,在碱性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。该类钴镍基纳米管/纳米片材料成本低廉、合成方法简单、比表面大、具有突出的电催化分解水的性能,为今后进一步发展环保高效的非贵金属基水分解催化剂提供了新的思路。