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

电解水不仅是工业制备高纯氢气的重要方法,也是将间歇性能源(风能、太阳能等)所产生的电能转化为氢能的有效途径。电解水反应的能垒大,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进行。目前,代表性的HER和OER电催化剂分别以贵金属Pt和Ru/Ir氧化物为主,虽然它们具有较低的起始过电位,但在大电流密度下(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,而贵金属的稀缺性和高成本也限制了其大规模工业化应用。因此,亟待开发可在大电流密度下高效稳定工作的非贵金属HER和OER电催化剂。此外,为避免不同电催化剂在阴极和阳极的交叉效应,并降低设备的制造成本,需要开发可在同一电解液中同时有效催化HER和OER的电催化剂。氮化钴具有高的导电性、宽的金属d-band和类贵金属的催化活性,但目前开发的氮化钴类电催化剂,往往只对HER或OER中的一种反应具有较高的催化性能,且一般只能在低于50 mA cm–2的低电流密度下工作,尚不能满足工业化应用的要求。

天津师范大学李程鹏和杜淼等利用阴离子插层增强电沉积和选择性高温氮化策略,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耦合的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反应中间体的形成能垒,因此可显著提高其HER和OER本征催化活性。此外,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,促进气泡的及时释放并有效阻碍电极表面催化剂的脱落,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,利用Co4N-CeO2/GP同时作为阴极和阳极组装而成的电解槽,表现出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)表现出高稳定性,性能优于贵金属Pt/C(20%)/GP和RuO2/GP电极组装而成的电解槽,具有潜在的实际应用价值。

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,并被选为当期Inside Front Cover。