Small:少量铁掺杂的羟基氧化钒空心纳米球实现电催化全解水

作为一种理想的能量载体,氢气具有清洁、来源广泛、能量密度高、可持续的明显优势。氢气的制取作为氢能源应用的一个重要研究方向正受到全球研究人员的广泛关注。通过高效电催化剂的改性在尽量低的电能作用下实现水的分解制取氢气和氧气是该领域的一个重要课题。如何克服现有电催化剂普遍过高的析氢反应(HER)和吸氧反应(OER)过电位成为分解水电催化剂商业化应用的关键技术。因此,开发稳定、高效、廉价、工艺简单的全解水电催化剂具有广阔的应用前景和市场价值。

目前,基于过渡金属含氧化合物的全解水电催化剂(包括氧化物、羟基氧化物、层状双氢氧化物等)的研究已取得较大的突破,最低过电位不断被刷新报道,有望成为取代贵金属基的商用电催化剂。近期关于金属镍掺杂羟基氧化铁作为吸氧反应电催化的应用不断在国际主流期刊上报道,理论和实验上都证实了其分解水的内在优势。此外,其他过渡金属羟基氧化物,如锌、锰、钴、钒等,都被证实在分解水制氧上的过电位优势。但目前基于该类材料的分解水报道都只能实现单功能的分解水制氧,双功能全解水应用研究有待突破。

近日,南京邮电大学新能源技术工程江苏省实验室的李兴鳌教授、张健副教授(共同通讯作者)报道了一种高效稳定的钒铁基电催化剂。通过一步水热法构筑了少量铁原子原位替代掺杂的空心纳米球多级结构,进行了高效稳定全解水应用研究。在1 M NaOH溶液中分别实现了90 mV和195 mV过电势维持10 mA cm-2电流密度的析氢反应和吸氧反应。将该掺杂电极同时作为阳极和阴极进行全解水反应时,仅需1.53 V的电压便可实现10 mA cm-2的电流密度,新颖的多级多孔骨架结构可实现高电流密度下稳定分解水60小时。电催化剂活性和稳定性均远优于商用的Pt/C-IrO2贵金属全分解水电极体系。通过密度泛函理论,得到析氧过程中不同中间态的吸附能信息,发现掺杂少量铁后的铁临近钒原子为析氧反应的活性位点,同时证明了3%掺杂样品具有相对最优的氢吸附能,理论上给出了该催化剂高效全解水的证据。该多级结构电极的优异性能可归因于(1)多级多孔空心骨架结构保证了足够多催化活性位点的暴露以及表面气体的快速脱除;(2)通过少量铁原子的替代掺杂活化了周边钒原子的催化能力,提升了整体催化性能;(3)碱性的测试环境可将高价态的钒部分溶解,增加表面的氧空位,从而进一步提升了电催化活性。相关论文以“Cation‐Modulated HER and OER Activities of Hierarchical VOOH Hollow Architectures for High‐Efficiency and Stable Overall Water Splitting”为题,在线发表在期刊Small(DOI:10.1002/smll.201904688)上