Advanced Functional Materials:取之自然—基于碳化木材的高效水分解电极

目前,不可再生燃料资源迅速枯竭导致的能源短缺问题被全球广泛关注。由于氢的高能量密度以及在处理过程中碳含量零释放,因此,通过电化学水分解从水中生产清洁的氢和氧,成为一种很有前景的解决方案。其中,贵金属催化剂可有效降低水分解过程中阳极析氧反应(OER)和阴极析氢反应(HER)所需要的过电位,但是高成本和稀缺性严重限制了其工业应用(例如,用于HER的Pt和用于OER的IrO2)。因此,许多研究都致力于开发非贵金属催化剂材料,并用于HER和OER反应。然而,在实际操作过程中,用于两个电极反应的催化剂之间存在pH范围不匹配、操作复杂和设备集成问题,难以达到其最佳性能。因此,对HER和OER都具有高活性的双功能电催化剂是克服这些问题的关键。过渡金属化合物及其氮化物、磷化物和氢氧化物与导电基质结合在一起,已被用作双功能电催化剂,用于电化学装置中的水分解。尽管这些电催化剂具有高活性,但其基底材料仍然受限于金属泡沫、碳布或半导体等材料。作为地球上最丰富的自然资源,木材因其纤维素框架和分层多孔结构,已在多种应用中被用作生物材料基底,例如电导体和离子导体、光学设备、节能建筑、结构建材和水处理滤膜。源于天然木材的碳化木价格低廉、导电性强、通道直且具有分层多孔结构,将其用作一种新型的基底,制造能量存储器中高性能电极具有十分广阔的应用前景。

鉴于此,东北林业大学李坚院士课题组和美国马里兰大学李腾教授采用储量丰富、低成本且可再生的天然木材,通过在碳化木材(CW)孔道原位负载钴、镍纳米颗粒(Co/Ni-CW),开发了低成本和高效率的电极,并完成了完整的水分解过程。与双功能电催化剂中使用的大多数底物相比,储量丰富的木材基催化剂价格低廉、生态友好、易于操作,使其成为一种潜在的高效、可量产的电极,可用于水分离和许多其他能源存储设备。

论文信息:

Carbonized Wood Decorated with Cobalt‐Nickel Binary Nanoparticles as a Low‐Cost and Efficient Electrode for Water Splitting

Wentao Gan, Lianping Wu, Yaoxing Wang, He Gao, Likun Gao, Shaoliang Xiao, Jiuqing Liu, Yanjun Xie*, Teng Li*, Jian Li*

Advanced Functional Materials

DOI: 10.1002/adfm.202010951