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新南威尔士大学赵川教授团队Nat. Commun.:Ni-Fe2O3异质界面高效分解水

氢能是一种理想的清洁能源,利用可再生能源开发大规模、廉价、高效清洁的制氢技术是实现氢能有效利用的关键。电催化水分解法制氢被被认为是最有潜力的技术之一,电解水包括两个半反应,分别是阳极析氧反应(OER)和阴极析氢反应(HER)。目前,该技术最主要的瓶颈是如何大幅降低其电能消耗,减少贵金属催化剂的使用,从而降低制氢成本。基于低成本的过渡金属镍和铁的氧化物/氢氧化物催化剂在碱性介质中可实现高效析氧反应,目前被广泛认为是碱性析氧反应非贵金属催化剂的基准。但此类催化剂对析氢反应性能有限。


近日,澳大利亚新南威尔士大学赵川 (Chuan Zhao) 教授(点击查看介绍)课题组突破了这一传统认知,设计合成了一种具有独特的镍-铁氧化物界面的纳米颗粒催化剂 (Ni-Fe NP)该催化剂由金属Ni与γ-Fe2O3形成异质界面,界面处金属Ni和γ-Fe2O3 产生强电子耦合效应,使其具备了优异的析氢反应催化性能,甚至可与贵金属Pt/C催化剂相媲美。DFT计算表明,Ni-γ-Fe2O3界面处形成的Ni-O-Fe键有效降低析氢反应中H*和析氧反应中O*吉布斯吸附自由能,从而显著提高了催化剂HER和OER性能。电化学测试表明,Ni-Fe NP催化剂具有优异的碱性析氢性能和动力学属性,在电流密度达到10 mA cm-2 仅需要46 mV的析氢过电位,并且电极表现出良好的析氢稳定性。

图1. Ni-Fe NP 催化剂合成示意图及形貌结构表征


图2. Ni-Fe NP 催化剂HER及OER性能


令人惊喜的是,在具备优异析氢性能的同时,该催化剂保持了NiFe优异的析氧催化性能,催化剂在电流密度达到10 mA cm-2 条件下过电位仅为210 mV。从而可以作为双功能催化剂实现高效、稳定的全电解水反应。在二电极电解槽装置中,电流密度达到10 mA cm-2的工作电压仅为1.47V,具有迄今为止报道的双功能催化剂中最低的工作电压之一。


通过物理和电化学表征结果,本文证明了在催化剂结构中引入异质界面可以诱导电催化反应的协同效应。通过这种方法可突破镍和铁基氧化物/氢氧化物催化剂在析氢反应中活性差的限制。另外,区别于传统的双功能催化剂其析氧和析氢反应的活性中心不同,或者需要在反应中原位生成,该催化剂的HER和OER反应中具有相似的活性位点,不需原位生成,有助于保持催化剂的结构稳定和提升抗腐蚀能力,从而提升催化剂在全分解水反应中的催化活性和稳定性。


这一成果近期发表在Nature Communications 上,工作来源于新南威尔士大学的赵川教授课题组。


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 electrochemical splitting of water at the heterogeneous interface of nickel and iron oxide

Bryan H. R. Suryanto, Yun Wang, Rosalie K. Hocking, William Adamson, Chuan Zhao

Nat. Commun., 2020, DOI: 10.1038/s41467-019-13415-8


赵川教授简介


赵川教授,澳大利亚新南威尔士大学(The University of New South Wales,UNSW)化学院终身教授,皇家澳大利亚电化学会主席,澳大利亚研究委员会Future Fellow,英国皇家化学会会士(FRSC),澳洲皇家化学会会士(FRACI),皇家新南威尔士会会士(FRSN)。2002年,西北大学博士毕业,2002-2006年在德国奥尔登堡大学(Carl von Ossietzky Universität Oldenburg)化学系从事博士后研究工作,2006-2010年澳大利亚蒙纳士大学(Monash University)化学院ARC绿色化学中心任高级研究员。


赵川教授的研究兴趣包括纳米电化学技术及其在清洁能源中的应用。近年来发表高水平SCI论文百余篇,包括多篇以通讯作者发表的Nat. Commun.、JACS以及热点论文和高引用频率排行论文。其科研成果多次被包括新华社在内的国际主流新闻媒体报道,获国际发明专利5项、澳大利亚发明专利5项,多项成果商业化,其制氢项目2016年入选中国科技部首个海外高科技火炬创新园。


https://www.x-mol.com/university/faculty/25323


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