Small: 双功能夹层结构Fe₃O₄/Au/CoFe-LDH电催化剂用于非对称电解

研究背景

全球污染问题促使人们寻找清洁可再生能源。氢能因其高热值、无污染、可再生等优点而引起关注。然而,在电解水制氢过程中阳极上的析氧反应(OER)过电势高,动力学缓慢。此外,与氢气相比,电解水过程中产生的氧气是一种低附加值产物。近年来的研究表明,用有机分子的氧化取代OER是降低电解水限制电压(1.23 V)的有效方法。葡萄糖作为一种生物单糖广泛地存在自然界中,其氧化产物-葡萄糖酸是一种重要的合成中间体。然而,工业生产葡萄糖酸盐速率缓慢,产品分离困难。葡萄糖的氧化(GOR)电势远低于OER电势,这使得GOR有望取代OER实现电解的降低。虽然葡萄糖氧化反应已经在燃料电池和电化学葡萄糖传感器中被广泛研究,但通过葡萄糖电化学氧化制备葡萄糖酸盐并没有得到足够的重视。因此,可以利用电化学葡萄糖氧化来降低电解水制氢的电势,实现在低电势下高效产氢,同时生产高附加值的葡萄糖酸盐。

文章概述

近日,中国石油大学(华东)张军教授课题组团队报道了一种双功能夹层结构电催化剂及其在非对称电解生产氢气和葡萄糖酸盐中的应用。利用自驱动电耦合反应合成了夹层结构Fe3O4/Au/CoFe-LDH催化剂。一系列的结构表征表明,在Fe3O4和CoFe-LDH之间存在微量的金,这显著提高了催化剂的本征电导率和催化活性。深入研究表明,Fe3O4和CoFe-LDH作为HER活性位点,而Au是GOR的活性位点。在双室电解池中的电解实验表明,Fe3O4/Au/CoFe-LDH可以显著降低该非对称电解的整体电压,在有iR补偿和无iR补偿时,达到10 mA cm-2的电流密度只需0.48 V和0.89 V电压,这是有史以来报道的最低的电解电压。即使在高电流密度下(1000 mA cm-2),Fe3O4/Au/CoFe-LDH也对HER和GOR具有良好的催化活性和稳定性。Fe3O4/Au/CoFe-LDH的设计和合成为在极低电压下电催化生产氢气和葡萄糖酸盐提供了新的途径。

图文解读

图1. Fe3O4/Au/CoFe-LDH合成过程示意图。
图2. CoFe-LDH的(a)SEM、(b)TEM和(c)HRTEM表征结果图。Fe3O4/Au/CoFe-LDH的(d)SEM、(e)TEM、(f)HRTEM和(g-k)SEM Mapping表征结果图。(插图为对应的选区电子衍射图)
图3. Fe3O4/Au/CoFe-LDH的(a)暗场TEM表征图和(b-f)Mapping图。
图4. Fe3O4/Au/CoFe-LDH的TEM表征图和(b-f)不同位置的衍射谱图。
图5. (a)非对称电解池结构示意图。(b)Fe3O4/Au/CoFe-LDH非对称电解极化曲线。(c)Fe3O4/Au/CoFe-LDH在不同电流密度下全解水和非对称电解电压对比。(d)两电极电解时的GOR选择性。(e)以AA干电池为电源的电解实验。(f)Fe3O4/Au/CoFe-LDH与其他催化剂性能对比图。

结论

团队成功合成了双功能夹层结构的Fe3O4/Au/CoFe-LDH电催化剂,并将其应用于非对称电解中,实现了在超低电压下高效生产氢气,同时生产高附加值的葡萄糖酸盐。在两电极电解中,在有iR补偿和无iR补偿时,只需0.48 V和0.89 V电压即可达到10 mA cm-2的电流密度。使用AA电池作为电源,可达到21 mA cm-2的电流密度。Fe3O4/Au/CoFe-LDH电催化剂的合理设计和成功合成为非对称电解高效产氢提供了一种新途径。

中国石油大学(华东)材料科学与工程学院研究生孙凤超为第一作者,张军教授和周炎副教授为本文的通讯作者。该项目获得国家自然科学基金(21805308)、山东省重点研发计划(2019GSF109075)、山东省泰山学者资助计划、山东省自然科学基金(ZR2020QB173)和中央高校基本科研基金(19CX05001A)的资助。

论文信息:

Bi-Functional Fe3O4/Au/CoFe-LDH Sandwich-Structured Electrocatalyst for Asymmetrical Electrolyzer with Low Operation Voltage

Fengchao Sun, Yan Zhou*, Zihan You, Hanhan Xia, Yongxiao Tuo, Shutao Wang, Cuiping Jia, Jun Zhang*

Small

DOI: 10.1002/smll.202103307

原文链接:https://doi.org/10.1002/smll.202103307