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Ni3Se2纳米森林/泡沫镍复合电极用于电催化全解水

电催化分解水技术,通过电解水产氢和产氧,把电能高效大量的存储在化学键中,从而解决了电能难以存储的问题,同时获得了零污染、热值高和可循环使用的氢能。现今,有效的大规模的电解水面临的主要挑战之一就是传统的电解水制氢技术所使用的高效的电催化剂(如Pt/C、RuO2、IrO2等)均是昂贵的稀有金属催化剂,大大提高了制氢成本,极大地限制了电解水制氢技术的大规模应用。近年来,国内外科学家致力于设计开发在地球上储量丰富、廉价、高效、稳定的电催化剂,提高电解水效率,降低催化剂成本。尽管研究者们在开发电催化产氢和产氧催化剂领域做出了大量的尝试,但绝大多数工作仍然集中在导电性差和具有各向异性的半导体材料,阻碍了其替代贵金属材料的步伐。


现今,提高导电性的有效的策略是合成在费米能级附近具有独特电子态的具有内在的金属性的电催化剂,或者直接把电催化剂制备在高导电性的基底上。除此之外,此领域的另一个重要的问题就是合成具有亲水性(固液界面)和疏气性(固气界面)的电催化剂。构筑在导电性高的廉价基底上直接生长电催化剂的三维自支撑电极,可避免高分子粘合剂的额外使用,从而有效降低电催化剂和基底界面产生的过电位。特别是直接生长在导电基底上的具有亲水疏气微/纳结构的电催化剂有助于电荷载流子的传导和气泡从电极表面的脱附,从而提高电催化分解水效率。尽管最近有一些关于既能催化产氢反应也能催化产氧反应的双功能电催化剂的报道,但是对于扩展高效的产氢产氧双功能电催化剂序列,发展亲水疏气、金属性、自支撑、双功能的电催化剂仍然是非常有价值的。镍基材料由于其储量丰富、廉价、易得,而被广泛应用于能源转换和存储领域。镍基硫属化合物由于具有丰富的价态和独特的电子结构,从而有多种不同的相结构。一些镍基硫属化合物已经被报道具有优异的催化产氢或者催化产氧性能。但是构筑具有亲水疏气表面的镍基硫属化合物,仍旧是一个挑战。目前,很少有报道关于合成金属性的自支撑的双功能催化剂用于全解水,特别是具有亲水疏气的表面结构的镍基硫属化合物。

针对上述难题,天津大学化学系张兵教授课题组通过一种简便的、一步合成策略来实现在泡沫镍基底上直接生长纳米森林状电催化剂,合成出三维自支撑的等级结构的Ni3Se2纳米森林。它具有如下三个特点:金属性的Ni3Se2、亲水疏气的表面、自支撑的高导电性基底。作者把这种三维自支撑Ni3Se2纳米森林复合电极直接用于在碱性体系中进行电化学产氢和产氧,它均表现出较好的催化活性和稳定性。在碱性体系中催化产氢反应的起峰电位,塔菲尔斜率和在100 mA cm-2的过电势分别为97 mV、79 mV dec-1、279 mV,并可以保持稳定超过200小时,催化产氧在10 mA cm-2、100 mA cm−2的过电势分别为239 mV、353 mV。这表明其作为有一定潜力、金属性、亲水、自支撑的双功能电催化剂,可应用于电催化全解水制氢技术,全解水的分解电压只需1.612 V(10 mA cm-2)。并且在1.700 V电压下,可以保持140小时的耐久性。


上述结果表明这种复合电极是一种有一定潜力的电催化全分解水双功能催化剂。除此之外,这种合成纳米森林的简便的一步合成策略还可以拓展到不同金属基底和不同硫属化合物,所合成的亲水疏气的金属性微纳结构还有可能应用在超级电容器,电池,纳流体器件等领域。相关论文在线发表在Nano Energy(DOI: 10.1016/j.nanoen.2016.04.006)。


http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285516300532


原文:Ni3Se2 nanoforest/Ni foam as a hydrophilic, metallic, and self-supported bifunctional electrocatalyst for both H2 and O2 generations

Nano Energy, 2016, 24, 103-110, DOI: 10.1016/j.nanoen.2016.04.006


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