高效稳定的双功能催化电解水电极-NixMy@Ni (M = P, S)

在各种制氢技术中,电催化分解水被认为是最有前途的方法之一。迄今为止,电解水工业仍然受限于其高成本、稀缺资源的贵金属材料催化剂。因此,开发低廉易得、高效稳定的的新型电催化材料成为了当今研究的一个热点。众所周知,这些有望取代贵金属的候选催化剂主要包括:过渡金属合金、碳化物、氮化物等析氢反应 (HER)催化剂和一元、二元过渡金属氧化物等析氧反应 (OER)催化剂。然而,HER和OER催化剂通常只在单一反应体系里面表现出较好的性能,因此,如何理性设计和可控制备同时具有高效HER和OER的双功能催化材料是一个非常有意义的工作。

过渡金属磷化物/硫化物作为新型的低廉催化剂具有其它材料无法比拟的HER和OER催化活性。它们的高活性主要可以源自于其合适的表面质子和氢化物接受位点,使它们能够与反应中间体形成适中的暂稳态键,从而促进催化反应。然而,磷化物/硫化物作为半导体材料,其在反应过程中的电荷传递效率仍有待提高。此外,传统制备磷化物和硫化物需经历复杂的步骤,包括粉末前驱体的制备、磷化/硫化处理和用粘结剂混合将其粘附在集流体,整个制备过程不仅费劲,而且材料与集流体的结合力有限,严重影响了其在电解水过程的稳定性。

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针对这些问题,广州大学刘兆清副研究员与澳大利亚阿德莱德大学乔世璋教授合作,巧妙制备了一类高活性、长寿命、低成本的Ni/NixMy (M = P, S)双功能催化材料。该类电极是以三维多孔泡沫镍骨架作为‘镍’源,经过自生长的方式根植在泡沫镍表面,相比传统的粉末粘合或者沉积法制作电极,其具有稳定的物理结合力和高导电性,从而表现了非常优秀的稳定性能(超过24 h持续稳定地催化电解水产氢)。深入的机理研究发现:此类电极材料具有独特的氧化物/NiP和氧化物/NiS异质结和结构诱导电子效应等特征,促使其展现出优异的双功能催化活性。在应用Ni/NiP作为阳极和阴极的碱性电解水装置中,该电解池只需要1.61 V的槽电压就可以达到10 mA cm-2的水分解电流密度,库伦效率几乎达100 %,有效地解决了传统的阳极析氧和阴极产氢工作体系不相容的问题,实现了精简电解水装置和降低能耗的目的,为电解水制氢的产业化发展提供了新的思路和契机。

相关论文在线发表在Advanced Functional Materials ( DOI: 10.1002/adfm.201505626)上。