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普适的硼化策略:将廉价金属片材转变为高性能的水氧化电极材料

析氧反应在水裂解制氢、二氧化碳还原和固氮合成氨等电化学反应中都是重要的半反应。析氧反应是动力学慢反应,通常需要在高的过电位下进行。目前,活性最高的固态水氧化催化剂是贵金属铱和钌基催化剂,但是其极低的丰度和极高的价格严重制约了水氧化催化剂的广泛应用。过去20年中,研究人员已开发了一系列高活性非贵金析氧催化剂,主要包括钙钛矿氧化物、层状双金属氢氧化物、无定形双(多)金属氢(氧)氧化物、非氧化物衍生的电催化剂等。尽管许多已报道的催化剂通过优化的负载量或微纳米结构,实现了优异的“表观催化活性”,甚至超过铱和钌基催化剂;但是,从“本征催化活性”而言,很少有材料表现出与贵金属催化剂相当或更优的催化性能。


除了高催化活性,析氧催化剂在实际的应用环境里还必须具备一些重要的性能,如廉价、高稳定性和耐腐蚀性等。但是极少有催化剂能够同时满足上述特征。尽管研究者近年来已经开发了一些高性能的电极材料,但是商业碱性电解水技术中广泛应用的依然是镍基电极(如镍包覆的钢)。镍基电极在碱性电解液中具有适中的活性和强耐腐蚀性,并且材料廉价、制备简单。因此,开发廉价、高活性、高稳定性和强耐腐蚀性的新型析氧催化剂具有重要的实际意义。

图1.(a)金属片硼化示意图;(b)表面硼化层晶体结构;(c)硼化金属片的光学照片;(d)3000小时稳定性;(e)本征催化活性的比较


最近,吉林大学无机合成与制备化学国家重点实验室邹晓新点击查看介绍课题组提出了一种广谱性的固相硼化策略,可以直接将廉价的金属片材(铁、钴、镍、镍铁合金、不锈钢)转化为高性能的水氧化电极材料。相比金属片材,硼化的金属片材活性提升了一个数量级以上。机理研究表明,催化活性相是原位产生、2-5纳米厚度、偏硼酸根掺杂的MOOH;偏硼酸根有效调控了MOOH的电子结构,优化了活性位点的性质。硼化可以显著提高材料的抗腐蚀性能,使廉价的富铁材料(比如硼化的不锈钢)可以高效稳定催化析氧反应。更为重要的是,硼化的镍铁合金片打破了析氧催化剂本征的活性壁垒,320 mV过电势实现10 mA/cmcat2,而且稳定性可以超过3000小时。该工作不仅提供了一种同时优化金属片材电极催化活性、稳定性和耐腐蚀性的通用策略,而且也报道了应用于商业化水裂解技术的高性能析氧催化电极材料。相关工作发表在Energy & Environmental Science上,第一作者为吉林大学的博士研究生郭非凡吴园园


该论文作者为:Feifan Guo, Yuanyuan Wu, Hui Chen, Yipu Liu, Li Yang, Xuan Ai, Xiaoxin Zou

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High-Performance Oxygen Evolution Electrocatalysis by Boronized Metal Sheets with Self-Functionalized Surfaces

Energy Environ. Sci., 2019, 12, 684, DOI: 10.1039/C8EE03405B


导师介绍

邹晓新

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


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