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“化腐成奇”——调控自发生铁腐蚀反应制备超过6000小时稳定的水氧化电极

随着现今社会科技生产的极大发展,能源需求的逐年递增,可持续能源的转化与利用是有效应对当今化石能源枯竭的核心课题。其中,电催化水裂解反应作为一种无化石燃料输入、过程清洁及环境友善的氢能生产途径,近年来获得了广泛的关注。在反应过程中,电催化水裂解反应可分成水还原(HER)和水氧化(OER)两个半反应,两个反应同时发生,而各自的能量消耗共同决定整个反应的能源利用效率。相比于水还原反应,水氧化反应(4OH- ↔ 2H2O(l) + O2(g)+ 4e-)由于涉及到多步电子/质子耦合过程,反应过程中产生多种吸附质基团,导致其反应动力学更为复杂缓慢,需要更大的过电势(即更多的能量消耗)来克服反应能垒。因此,水氧化反应决定了电解水制氢的最终效率,而有效降低水氧化反应能垒的水氧化催化材料则成为推进水裂解技术革新的关键。


基于此,近年来大量的非贵金属水氧化催化材料相继报道,一部分顶尖催化材料的活性已经超过贵金属基的铱、钌氧化物(代表性高活性水氧化催化剂)。然而,由于催化反应发生在高氧化电位、强碱性溶液条件下,并且催化过程中催化剂表面会持续产生气泡,很大一部分催化剂材料或无法在这种极端条件下保持结构稳定,或催化剂本身与电极表面剥离,均会导致催化剂稳定性无法保持。目前,已报道的较为稳定的非贵金属产氧催化材料一般能够在10-100 mA/cm2电流密度下稳定几十个小时,仅个别可稳定上百小时,远达不到工业生产的要求。


近日,吉林大学邹晓新点击查看介绍课题组提出了一种通过“腐蚀工程”策略制备水氧化电极材料的新方法。该方法通过调控铁质基材的室温腐蚀环境,能够有效干预腐蚀反应中次级腐蚀产物的成分;进一步通过优化腐蚀条件获得了高活性、超高稳定性的产氧催化材料——能够在催化条件1000 mA/cm2的电流密度下稳定超过6000小时。


铁腐蚀反应是现今社会生产生活中极力避免的,导致铁基材料生锈报废的“消耗反应”在室温有氧条件下自发发生,对人类的经济发展持续造成巨大的损失。尽管唯恐避之不及,但从材料制备的角度来说,该反应易发生且无需额外能量输入,是一种非常理想的制备方法。如果能够实现通过控制腐蚀环境来调控腐蚀产物的生成,那么腐蚀反应将可以有效利用。基于以上分析,研究人员通过向腐蚀溶液中引入不同的金属离子,成功在室温条件下将腐蚀反应次级产物转变为含铁的层状双金属氢氧化物(LDH),该产物以纳米片阵列形貌均匀生长在铁基材表面上,并具有独特的”富晶界“特征。


承袭自普通腐蚀反应自发生的特点,该方法实现了在室温条件下无额外能量输入自发发生,并且很容易实现扩大反应,不需要考虑额外的实验参数调整。


另外,LDH纳米片薄膜“富晶界“的特征使大量高活性的不饱和位点暴露出来。经条件优化后的NiFeLDH薄膜电极表现出优异的催化活性——可以在过电势为280 mV的条件下达到1000 mA/cm2的电流密度。另外,该电极材料同样具有绝佳的结构稳定性、结构疏气性以及电极材料间结合性,这些优势的统一使该电极材料获得超高的稳定性,能够在催化条件1000 mA/cm2的电流密度下稳定超过6000小时。该稳定性能远远超过了目前报道的所有水氧化电极材料。


这一成果近期发表在Nature Communications 上,第一作者为吉林大学的博士研究生刘一蒲


该论文作者为:Yipu Liu, Xiao Liang, Lin Gu, Yu Zhang, Guo-Dong Li, Xiaoxin Zou and Jie-Sheng Chen

原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Corrosion engineering towards efficient oxygen evolution electrodes with stable catalytic activity for over 6000 hours

Nat. Commun., 2018, DOI: 10.1038/s41467-018-05019-5


导师介绍

邹晓新

http://www.x-mol.com/university/faculty/31093


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