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双金属氧氟化物多孔纳米薄膜催化剂电催化全解水的研究进展

随着化石燃料的消耗以及引发的环境污染问题,寻找替代能源已经成为当今社会面临的严峻挑战。为了解决这些问题,可再生能源的利用和存储得到越来越多的关注。水裂解制氢是一种清洁、高效、无污染的可再生能源制取技术,因此被认为是解决能源危机的有效途径。然而在产氢和产氧过程中,复杂的电子转移和迟缓的动力学过程限制了水裂解的大规模应用。目前,商用的电催化剂主要是以金属铂、氧化铱或者氧化钌等贵金属为主,昂贵的价格同样限制了水裂解的应用。与此同时,粉末材料催化剂在使用过程中需要添加有机粘接剂,可能会导致体系内阻增大、减少使用寿命,而且难以循环使用。因此,寻找高效、可重复使用的廉价金属催化剂成为实现水裂解应用的必经之路。


针对以上问题,中佛罗里达大学Kun Liang博士和Yang Yang教授等人利用简单有效的电化学方法制备出NiFeOF多孔薄膜催化材料,无需使用有机粘接剂和集流体成功实现了水的全解。NiFeOF薄膜含有大量相互连接的多孔结构,增大电化学的活性面积,提供更多的反应活性位点。内部存在的NiFe合金框架提高了材料的导电性,促进了电子转移速率和动力学扩散过程。与此同时,Ni元素和Fe元素的协同作用同样提高了催化剂的电化学活性。到目前为止,这是双金属氧氟化物在电催化全解水领域首次的应用报道。相关研究成果发表在ACS Catalysis 上,Kun Liang博士为论文的第一作者,Yang Yang教授为通讯作者。

图1. (a)材料制备流程;(b)(c)断面和表面的SEM成像;(d)(e)原子探针层析显微镜图像(绿色代表Ni原子、紫色代表Fe原子、白色代表O原子、红色代表F原子)。


通过电化学测试,NiFeOF多孔薄膜材料在pH = 14的强碱性电解液中表现出优异的电解水活性,在三电极测试体系中获得10 mA•cm-2的电流密度需要295 mV的产氧过电位和253 mV的产氢过电位。在两电极测试体系下,获得10 mA•cm-2的电流密度仅需要1.83V的电压,同时表现出超强的稳定性。该工作为寻找高效可循环利用的廉价金属催化剂提供新的途径。

图2. 电化学活性表征:(a)产氧反应的极化曲线;(b)产氢反应的极化曲线;(c)全解水反应的极化曲线;(d)稳定性测试曲线。


该论文作者为:Kun Liang, Limin Guo, Kyle Marcus, Shou-Feng Zhang, Zhenzhong Yang, Daniel E. Perea, Le Zhou, Yingge Du and Yang Yang

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):

Overall Water Splitting using Room-Temperature Synthesized NiFe Oxyfluoride Nanoporous Films

ACS Catal., 2017, DOI: 10.1021/acscatal.7b02991


导师介绍

Yang Yang

http://www.x-mol.com/university/faculty/44728


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