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青科大JMCA：原位构建Fe-Ni基化合物用于碱性淡水和海水环境下的全水解

时间：2023-01-08 来源：浏览：

青科大JMCA：原位构建Fe-Ni基化合物用于碱性淡水和海水环境下的全水解

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氢气(H ₂ )因其无污染和高能量密度等优点在未来能源中占有重要地位。利用可再生能源，如光伏、风能和水力发电进行电解水是一种高效的产氢方法。在过去的几十年里，Pt/C和RuO ₂ 被认为是析氢反应(HER)和析氧反应(OER)最优的催化剂。

然而，贵金属的稀缺性和高价格等特点阻碍了其进一步的商业应用。因此，开发大规模、低能耗、高稳定性的非贵金属催化剂用于全水解尤其适合工业应用，这也是一个巨大的挑战。

基于此 ，青岛科技大学吴则星和 王磊(共同通讯)等人 通过环境腐蚀工程和低温氮化，原位制备了Fe-Ni基化合物(Fe-Ni-O-N)催化剂。

首先评估了不同催化剂在1 M KOH淡水中的OER活性。Fe-Ni-O-N催化剂具有最优的OER性能，仅需要189、206、260、280 mV的过电位就能达到10、50、500、1000 mA cm ^-2 的电流密度，低于NiFe LDH(280、313、320、350 mV)、RuO ₂ (307、352、420、450 mV)和NiFe(348、408、460、510 mV)，说明氮化工艺可以有效的优化催化剂的OER性能。

此外，Fe-Ni-O-N的Tafel斜率为25 mV dec ^-1 ，相对于NiFe LDH (34 mV dec ^-1 )、RuO ₂ (47 mV dec ^-1 )和NiFe (54 mV dec ^-1 )，Fe-Ni-O-N具有较快的催化动力学。

这是由于丰富的纳米片组成的花朵状形态为Fe-Ni-O-N催化剂提供了丰富的表面积和快速的电子传递速率，可以提高碱性淡水中的OER性能。

由于Fe-Ni-O-N在碱性淡水中具有良好的OER催化活性，在碱性海水中也进行了催化性能的研究。在碱性海水中，Fe-Ni-O-N同样通过最小的过电位190、235、270和289 mV就能达到10、50、500和1000 mA cm ^-2 的电流密度。

此外，Fe-Ni-O-N的Tafel斜率(41 mV decl ^-1 )相对于其他催化剂最小，验证了其快速且有利的反应动力学。值得注意的是，Fe-Ni-O-N的催化性能优于其他报道的催化剂。Fe-Ni-O-N在碱性海水中具有优异的稳定性，电流损耗可忽略不计。它还可以在500 mA cm ^-2 的电流密度下稳定工作40小时，表明其在实际应用的可行性。

除了OER活性，催化剂在碱性电解质中的HER电催化活性也同样进行了评估。然而，Fe-Ni-O-N的电催化HER性能不理想，然后引入了微量的Ru来提高反应动力学。

引入Ru后，Ru/Fe-Ni-O-N表现出优异的HER活性，在10 mA cm ^-2 和50 mA cm ^-2 的电流密度下过电位仅为42和185 mV，优于FeNi-O-N(194和328 mV)、NiFe LDH(196和287 mV)和NiFe(273和342 mV)。

此外，FeNi-O-N和Ru/Fe-Ni-O-N催化剂分别作为阳极和阴极用于碱性淡水和海水中的全水解。FeNi-O-N||Ru/Fe-Ni-O-N在1 M KOH的电解质中仅需要1.87 V就可以驱动500 mA cm ^-2 的电流密度。

在60℃的6 M KOH淡水中达到500和1000 mA cm ^-2 的电流密度分别需要1.69 V和1.75 V。在碱性海水中，Ru/Fe-Ni-O-N||Fe-Ni-O-N在10和500 mA cm ^-2 时的电压为1.54和1.90 V，均展现出优异的催化性能。

本研究为通过腐蚀工程设计能实现高电流密度的海水电解电催化剂提供了参考，也为大规模生产氢气的电解海水策略提供了切实可行的思路。

Corrosive engineering assisted to in-situ construct Fe-Ni-based compound for industrial overall water-splitting under large-current density in alkaline fresh water and seawater Media, Journal of Materials Chemistry A , 2022 , DOI: 10.1039/d2ta07586e.

https://doi.org/10.1039/D2TA07586E.