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多级结构高活性电解水电极

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多级结构高活性电解水电极

多级结构高活性电解水电极

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【摘要】:
随着化石燃料快速消耗及环境污染等问题日益严重,发展可再生能源势在必行。氢能因其具有清洁和可再生等特点,被认为有望取代传统化石燃料。深度利用氢能的关键在于低成本、规模化地制备氢气。电解水制氢是有效途径之一,但其阳极析氧反应(OER)和阴极析氢反应(HER)目前仍然表现出较高的过电位,极大地限制了电解水制氢的效率。目前为止,贵金属材料Pt/C和IrO2分别是HER和OER高效的催化剂,但是它们高昂的价
  随着化石燃料快速消耗及环境污染等问题日益严重,发展可再生能源势在必行。氢能因其具有清洁和可再生等特点,被认为有望取代传统化石燃料。深度利用氢能的关键在于低成本、规模化地制备氢气。电解水制氢是有效途径之一,但其阳极析氧反应(OER)和阴极析氢反应(HER)目前仍然表现出较高的过电位,极大地限制了电解水制氢的效率。目前为止,贵金属材料Pt/C和IrO2分别是HER和OER高效的催化剂,但是它们高昂的价格和有限的存储量限制了其大规模应用。尽管非贵金属HER、OER催化剂的研究取得了一系列进展,仍然存在一些挑战。例如,如何简易、规模化地制备高活性多级纳米结构化电极,实现大电流密度下的全水电解仍是亟待解决的问题与挑战之一。
  最近,中国科学院化学研究所胡劲松研究员课题组与河北师范大学李冀辉教授合作,报道了一种简易的化学刻蚀法,将工业NiAl合金浸泡于强碱溶液中,由于金属Al容易被强碱刻蚀,同时金属Ni容易与强碱反应,从而在与NiAl合金基底上直接生成Ni(OH)2纳米片阵列,形成了具有高度孔隙的多级结构骨架Ni(OH)2/NiAl。电化学研究表明该骨架表现出较好的OER催化剂性能,在电流密度为10和100 mA cm-2处的过电位分别为289和425 mV。在此基础上,研究人员通过简单的电沉积方法,将对析氢反应具有更高活性的NiMo合金,以及对析氧反应具有更高活性NiFe合金分别沉积在Ni(OH)2/NiAl活性骨架上,通过活性物质与三维多级活性骨架结构的复合,获得了更加高效的析氢电极NiMo/Ni(OH)2/NiAl和析氧电极NiFe/Ni(OH)2/NiAl。所得复合析氢电极在10 mA cm-2处的过电位仅为78 mV;并且复合析氧电极在电流密度为10、100和500 mA cm-2处的过电位分别仅为246、315和374 mV。由这两个电极构成的碱性条件下电解水装置在10 mA cm-2电流密度下的槽压仅为1.59 V。
  由于此项研究工作中电解水电极的制备方法极其简单,原料易得,可以通过直接在碱性电解液中浸泡工业NiAl合金就可实现高效水电解,同时多级电极结构的设计有利于实现在电流密度下的电解水,因此十分方便规模化制备及实际工业应用,有望实现规模化生产与应用。这种通过刻蚀工业合金制备具有多级纳米结构的电化学装置电极的方法也为设计其它高活性电极提供了新的思路。