Advanced Science:相得益彰:Ni-Fe-Mo三元电极助力高效全电解水

氢能被认为是未来最具发展前景的清洁能源之一。相比于化石燃料制氢,电解水制氢由于具有可再生、气体纯度高等优势获得了人们的广泛关注。电解水过程涉及阴极析氢反应(HER)和阳极析氧反应(OER),目前活性最高的HER和OER催化剂分别是贵金属铂基催化剂和钌/铱基催化剂,但贵金属的稀缺性和高成本限制了电解水制氢技术的大规模应用。因此,利用地球富足元素制备高活性的HER和OER催化剂对于电解水技术的发展具有重要意义。尽管目前HER和OER催化剂的研究取得了一定进展,但由于HER和OER的反应机理不同,制备兼具高HER和OER活性的双功能催化剂仍然是一个重大挑战。

针对上述问题,华中农业大学理学院曹菲菲教授和张耕副教授制备了一种新颖的Ni-Fe-Mo三元材料作为双功能电解水催化剂并取得了良好效果。该Ni-Fe-Mo三元材料由相互交织的Ni-Fe-Mo氧化物(NiFeMoOx)和金属Ni纳米粒子构成,并以多孔纳米片阵列的形式生长在泡沫镍表面(记为Ni/NiFeMoOx/NF)。其中,NiFeMoOx具有无定形结构和氧空位,Ni纳米粒子相互交联形成电子导电网络。Ni/NiFeMoOx/NF表现出优异的HER活性,在1 M KOH电解质中,电流密度为10和100 mA/cm2时的过电位仅为22和117 mV。研究表明NiFeMoOx是催化HER的主要活性物质,其中Mo和O位点具有最优的氢吸附自由能,是HER的主要活性位点,而Ni的引入对HER活性有显著提升作用。在OER活性方面,电流密度为10和100 mA/cm2时,Ni/NiFeMoOx/NF过电位仅为255和289 mV。在OER催化过程中,NiFeMoOx原位转化成了Ni-Fe-Mo三元羟基氧化物并作为主要的活性物质,Fe和Mo的引入对提高OER活性有重要作用。此外,纳米片阵列结构赋予电极超亲水性和疏气性,有利于气泡逸出,提高了传质能力。纳米片中的Ni纳米粒子相互交联形成导电网络加快了电子传递。进一步地,以Ni/NiFeMoOx/NF为阴阳极组装了全电解池,在1 M KOH中,其达到10和100 mA/cm2电流密度仅需要1.50和1.63 V,并且在500 mA/cm2高电流密度下能够稳定运行超过100 h。该项研究有助于加深对碱性条件下HER和OER反应机理的认识,并为设计能够在工业级电流密度下稳定工作的双功能非贵金属催化剂提供了新思路。

相关研究成果发表在Advanced Science期刊上(DOI: 10.1002/advs.201902034)。该工作获得了国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费和北京分子科学国家研究中心开放课题的资助。