文章信息
超低載量釕摻雜的非晶態(tài)鈷基氧化物用于在堿性介質(zhì)和堿性海水介質(zhì)中高效驅(qū)動(dòng)高電流密度電解水反應(yīng)第一作者：吳杜蘭通訊作者：木士春*
研究背景
隨著人們對(duì)綠色可再生資源的需求及氫經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電解水制氫將成為人們獲得氫能的主要途徑，但目前電解水制氫的工業(yè)應(yīng)用受到高能耗的限制。因此，如何在高電流密度下實(shí)現(xiàn)高效和穩(wěn)定的電解水制氫顯得格外重要。這無(wú)疑促使人們?nèi)ヌ剿骶哂型怀鑫鰵浜臀鲅醴磻?yīng)（HER&OER）電催化活性的雙功能催化劑。當(dāng)前，應(yīng)用于HER&OER的商業(yè)催化劑分別主要為Pt/C和RuO2/IrO2，不僅價(jià)格昂貴，而且穩(wěn)定性差。此外，隨著淡水資源的日漸枯竭，使人們將目光投向了儲(chǔ)量更為豐富的海水來(lái)制氫，這對(duì)催化劑是一個(gè)很大挑戰(zhàn)。因此，合理地設(shè)計(jì)和構(gòu)筑一種成本低且能更高效地海水電解制氫的非貴金屬催化劑變得尤為重要。
文章簡(jiǎn)介
基于此，武漢理工大學(xué)木士春團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并構(gòu)筑了一種超低載量釕摻雜的非晶態(tài)鈷基氧化物雙功能催化劑（Ru-CoOx/NF），用于在堿性條件下高效驅(qū)動(dòng)電解海水反應(yīng)。
圖1. 圖文摘要
本文要點(diǎn)
要點(diǎn)一：催化劑具有獨(dú)特的金屬Ru摻雜和非晶態(tài)CoOx納米片結(jié)構(gòu)
相較于晶態(tài)結(jié)構(gòu)，非晶態(tài)結(jié)構(gòu)可以暴露出較多的表面缺陷，進(jìn)而提供更多的電化學(xué)活性位點(diǎn)；而金屬釕的摻雜可引起的內(nèi)部電荷轉(zhuǎn)移以促進(jìn)電化學(xué)動(dòng)力學(xué)，使得Ru-CoOx具有優(yōu)異的電催化性能。
圖2. Ru-CoOx/NF催化劑的結(jié)構(gòu)表征
要點(diǎn)二：優(yōu)異的OER、HER催化活性Ru-CoOx/NF
在堿性介質(zhì)中表現(xiàn)出出色的電催化活性與穩(wěn)定性。在1000mA cm-2大電流密度下，其OER和HER的過(guò)電位僅為370和252 mV。催化劑經(jīng)過(guò)100h的恒電流穩(wěn)定性測(cè)試后，性能并沒(méi)有明顯衰減。
利用Ru-CoOx/NF為陰極和陽(yáng)極組裝的電解槽展現(xiàn)出優(yōu)異的全解水性能，僅需1.59V的槽電壓就能獲得100mA cm-2的電流密度，具有接近100%的法拉第效率，而且在30h的多步電壓穩(wěn)定性測(cè)試過(guò)程中仍能保持穩(wěn)定的性能。
3. Ru-CoOx/NF在堿性介質(zhì)中的電催化活性
要點(diǎn)三：有效驅(qū)動(dòng)海水全電解制氫
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，Ru-CoOx/NF在堿性海水介質(zhì)中也能有效催化電解水反應(yīng)。在100mA cm-2和1000mA cm-2大電流密度下，電解槽分別僅需630、1390 mV的過(guò)電位，明顯低于商業(yè)貴金屬構(gòu)成的Pt/C/NF || RuO2/NF電解槽的過(guò)電位（760 mV, 1530 mV）。同時(shí)，還具有出色的穩(wěn)定性和接近100%的法拉第效率。在30h的多步電壓穩(wěn)定性測(cè)試中，性能曲線在經(jīng)過(guò)峰值后并無(wú)顯著衰減。
圖4. Ru-CoOx/NF在海水介質(zhì)中的電催化活性
文章鏈接
Ultralow Ru Incorporated Amorphous Cobalt-Based Oxides for High-Current-Density Overall Water Splitting in Alkaline and Seawater Mediahttps://doi.org/10.1002/smll.202102777
通訊作者介紹
木士春 武漢理工大學(xué)學(xué)科首席教授，博士生導(dǎo)師。主要從事電解水制氫、質(zhì)子交換膜燃料電池關(guān)鍵材料與核心器件和碳納米材料等研究工作。目前，作為第一作者及通訊作者已在Nat. Commun.、Adv. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Energy Environ. Sci.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Adv. Sci.、ACS Nano.、ACS Catal.、ACS Energy Lett.、Nano Energy等國(guó)內(nèi)外期刊上發(fā)表250余篇SCI學(xué)術(shù)論文，申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利102件，其中授權(quán)84件。