Small:酸性全电解水100mA/cm²突破60小时

氢气作为一种能量密度高的清洁能源载体,有望成为解决能源持续发展问题的关键因素。目前,在众多的制氢工艺中,电解水制氢技术具有很强的竞争力。酸性质子交换膜 (PEM)电解槽与碱性电解槽相比具有许多优势,例如,更容易析氢动力学、更高的氢纯度等。酸性介质会一定程度上阻止空气中CO2分子扩散到电解液中形成碳酸盐,从而防止催化效率的衰减。在全电解水过程中,析氧反应(OER),由于是复杂的四电子过程,比析氢反应(HER)在动力学上更加缓慢,其决定了电解水过程的能量转换效率。在酸性介质中, OER动力学更加缓慢,因为 OER 过程需要首先在酸性环境中分解水分子。尽管目前据报道了许多活性材料在碱性或中性介质中可以展示出较高的 OER催化本征活性,但其中大多数在酸性环境中很不稳定。迄今为止,Ir和Ru基催化剂仍被视为是在酸性介质中最优的催化剂,由于贵金属的极度稀缺和较高的成本,严重地限制了贵金属催化剂在酸性电解水中的大规模应用。

为此,北京化工大学孙晓明教授课题组,通过水热掺杂-原位生长的手段,成功地将少量的铱引入到酸性条件下稳定的氧化钨阵列中,实现了大电流密度(100 mA/cm2)下长时间(60小时)的酸性全电解水。研究结果表明,在0.5M H2SO4电解液中,铱掺杂的氧化钨阵列催化剂展现出类似于铂碳的HER催化效果,且仅需要258 mV的过电位就可以得到10 mA/cm2的OER电流密度。双功能的铱掺杂的氧化钨阵列催化剂,在1.56V电压下可以驱动酸性全电解水,电流密度稳定在10 mA/cm2。进一步的结果表明,即使在100 mA/cm2全电解水的大电流密度下,经过60小时的长时间电解,电解的槽电压仅仅增加了16 mV。实验表征和理论研究证实,这主要得益于氧化钨晶格的限域作用,大程度上调节了掺杂铱的电子结构,降低了反应中间体在活性位点上的反应能垒,促进了电解水的动力学过程,使其具有很高的催化活性和稳定性。该新型铱掺杂的氧化钨阵列电极在酸性电解水催化剂领域展现出很大的应用潜力。

图1 铱掺杂的氧化钨阵列结构与其在0.5M H2SO4电解液中的全电解水稳定性

北京化工大学的孙晓明教授和邝允教授为论文共同通讯作者。

课题组网站:http://www.sunxmgroup.com

论文信息:

Iridium in Tungsten Trioxide Matrix as an Efficient Bi-Functional Electrocatalyst for Overall Water Splitting in Acidic Media

Pengsong Li, Xinxuan Duan, Yun Kuang*, Xiaoming Sun*

Small

DOI: 10.1002/smll.202102078

原文链接:https://doi.org/10.1002/smll.202102078