Advanced Functional Materials:CeO2耦合Co4N多孔纳米片用于大电流密度下高效电化学全解水

电解水不仅是一种重要工业化制备高纯氢气的方式,也是一种将间歇性能源(风能、太阳能等)发的电转化为氢能储存起来的有效途径。电解水反应能垒大,过电位高,需要高活性的析氢反应(HER)和析氧反应(OER)电催化剂来加速反应。目前,高效的HER和OER电催化剂分别以贵金属Pt和Ru/Ir氧化物为主,虽然它们表现出了较低的起始过电位,但他们在大电流密度(工业电解水的电流密度可高达500-1000 mA cm–2)的过电位依然较高,同时稀缺性和高成本限制了它们的大规模应用。因此,迫切需要开发在大电流密度下高效稳定的非贵金属HER和OER电催化剂。另外,工作条件的不匹配使得很难在单个电解槽中寻找耦合良好的两种电催化剂来进行全解水。因此,需要开发一种可以在同一电解液中同时有效催化HER和OER的电催化剂,以避免不同电催化剂在阴极和阳极的交叉效应,并降低设备制造成本。氮化钴由于具有高的导电性、宽的金属d-band和类贵金属的催化活性引起了研究人员的深入研究。但目前已开发的氮化钴电催化剂,往往只能表现HER或者OER一种较高的催化性能,而且一般只在低于50 mA cm–2的电流密度下工作,远不能满足工业化应用的要求。

天津师范大学化学学院孙洪明讲师、李程鹏研究员和杜淼教授发展了阴离子插层增强电沉积和选择性高温氮化的策略,成功制备了超亲水的Co4N-CeO2/GP自支撑电极,提出并证实了一种基于CeO2的催化性能激活机制。实验结合密度泛函理论(DFT)计算结果表明CeO2耦合Co4N极大地促进了水分子的分解、优化了氢的吸附并降低了OER中间反应物形成的能垒,显著提高了其HER和OER本征催化活性。在导电基底上原位生长的超亲水Co4N-CeO2多孔纳米片阵列可加速基底与催化剂之间的电子传导,促进气泡及时释放并阻碍了催化剂脱落,从而确保催化剂在大电流密度下高效稳定的工作状态。因此,Co4N-CeO2/GP同时作为阴极和阳极组装而成的电解槽表现出了优异的全分解水催化性能,只需1.507 V就可达到10 mA cm–2的全解水电流密度,同时在大的电流密度下(500 mA cm–2)表现出了较高的稳定性,优于贵金属Pt/C(20%)/GP和RuO2/GP电极组装成的电解槽,展示出了潜在的应用价值。 本工作为开发大电流密度下高效稳定的金属氮化物电解水催化剂提供了新思路。该论文(Boosting Activity on Co4N Porous Nanosheet by Coupling CeO2 for Efficient Electrochemical Overall Water Splitting at High Current Densities)在线发表在Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.201910596)上,并于当期Inside Front Cover做简要介绍。