海南大學最新發現！高抗腐蝕性鎳鐵海水電極材料可助力海水高效電解
2024-01-25 14:10:46
作者：腐蝕與防護 來源：腐蝕與防護
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海南大學材料科學與工程學院鄧意達教授團隊最新發現，原位鉬酸根離子調控的高抗腐蝕性鎳鐵海水電極材料可助力海水高效電解，相關研究成果近日已在國際知名期刊《先進能源材料》刊出。這一發現為設計氧陰離子修飾型催化劑提供了新的視角，有助于推動海水電解技術的實際應用。
氫能被視為未來能源結構的核心組成部分，其中海水電解被認為是一種實用且可行的氫氣生產方法，但海水中的氯離子具有腐蝕性，會引起析氯反應，腐蝕電極（催化劑），嚴重降低其使用壽命。因此，開發高效、高選擇性的海水分解電極材料（催化劑）顯得尤為重要。針對電極（催化劑）使用壽命低的難點，研究團隊利用快速、簡便的熱沖擊方法制備了一種由鉬酸根修飾的、適用于海水電解的鎳鉬鐵氧化物電極，并發現該電極在海水電解析氧反應中具有較高的活性和優異的耐久性。實驗結果表明，電極表面原位生成的鉬酸根可有效調節活性中心的電子結構、穩定催化活性，提高析氧反應活性，保護電極免受氯離子腐蝕，可極大延長電極的使用壽命。海南大學為該成果論文第一完成單位，海南大學材料科學與工程學院博士生邵禮為論文第一作者，海南大學教授鄧意達、副教授李紀紅與天津大學研究員韓曉鵬為論文的共同通訊作者。
實現海水電解需要開發出高活性、高選擇性、耐腐蝕的電極材料。為此，鄧意達教授團隊用一種快速、簡便的熱沖擊方法成功地制備了一種鉬酸根（MoO42-）修飾的海水電解鎳鐵氧化物電極，該電極在海水電解析氧反應（OER）中具有很高的活性和非凡的耐久性。
試驗分析和理論計算表明，電極表面原位生成的MoO42-可以調節和穩定催化活性相γ-(Ni,Fe)OOH，從而提高OER活性，同時對保護電極免受氯離子（Cl-）腐蝕，延長使用壽命具有重要作用。因此，該催化劑在100 mA·cm-2的長期運行中（>1500 h）表現出20 μV·h-1明顯的緩慢降解速率。這項工作為氧陰離子修飾催化劑的設計提供了一個新的視角，可廣泛應用于解決海水電解中的挑戰。
圖1. a) NiMoFe/NM電極的結構和耐蝕策略示意圖；b) NiMoFe/NM的掃描電子顯微鏡和電子顯微鏡圖像；c-d) NiMoFe/NM的HRTEM和SAED模式(插圖)；e-i) NiMoFe/NM的EDS圖譜；j) EDX模式；k) 制備的NiMoFe/NM的拉曼光譜；l) Mo 3d的X射線光電子能譜圖2. a) 具有85%IR補償的各種樣品的OER極化曲線；b) 在100 mA·cm-2電流密度下，NiMoFe/NM與其他報道的材料相比具有更高的過電勢；c) 塔菲爾曲線的比較；d) 比較ECSA和ECSA歸一化比活度（以350 mV的過電勢進行評估）；e) 在10 mA·cm-2電流密度下，對NiMoFe/NM和一些有代表性的電極材料進行了ECSA歸一化比活度測定；f) 在100 mA·cm-2時，NiMoFe/NM對OER的法拉第效率；g) 在沒有歐姆電阻補償的情況下，在固定的100 mA·cm-2電流密度下的長期穩定性，插圖中提供了長時間催化后NiMoFe/NM的掃描電子顯微鏡圖像圖3. a) 電流為100 mA·cm-2時的計時電位法測量；以(b) NiMoFe/NM和(c) NiFe/NM為陽極，在1 M KOH+0.5 M NaCl電解液中，測量了不同電位（1.23~1.52 V vs RHE）下的operando拉曼光譜；(d) Ni K邊XANES和(f) 相應的Ni箔、NiO、NiFe/NM和NiMoFe/NM的傅里葉變換EXAFS譜；e) Mo K邊XANES和(g) 相應的Mo箔、MoO2、Na2MoO4和NiMoFe/NM的傅立葉變換EXAFS譜；NiMoFe/NM的(h) Ni和(i) Mo的小波變換圖4. a) 優化的γ-(NiFe)OOH(010)面的結構模型；b) 不同吸附位置的MoO42-在γ-(NiFe)OOH上的吸附自由能；c) MoO42-修飾的γ-(NiFe)OOH的電荷密度差，黃色和藍色區域分別代表電子的積累和消耗；d) Cl-吸附能和e) NiMoFe/NM和NiFe/NM上OER的Gibbs自由能圖；f) NiMoFe/NM和NiFe/NM的Mo-4d、Ni-3d和O-2p的分波態密度（pDOS）圖和g) 相應的NiMoFe/NM和NiFe/NM的d帶中心示意圖；h) NiFe/NM和NiMoFe/NM的Ni-O鍵的COHP曲線；i) 計算了ICOHP值并示意圖說明了NiMoFe/NM對含氧中間體的弱吸附強度圖5. a) NiMoFe/NM和NiFe/NM的動電位極化曲線；b) NiMoFe/NM和NiFe/NM的奈奎斯特曲線；c) 在1 M KOH+海水電解液中具有歐姆電阻補償的OER極化曲線；d) 在1 M KOH+海水電解液中，NiMoFe/NM對OER的電催化效率；e) NiMoFe/NM電極在1 M KOH+海水電解液中的計時電位曲線，插圖中提供了OER電催化后電極的掃描電子顯微鏡圖像
該研究利用一種NiMoFe/NM催化劑，滿足了海水裂解陽極材料的多種要求，其表現出優異的活性和令人印象深刻的穩定性。證明了原位生成的MoO42-促進了催化活性相γ-(Ni,Fe)OOH的形成，優化了反應中間體的吸附能，降低了OER的勢壘。此外，生成的MoO42-能有效地防止電極的氯離子腐蝕，在100 mA·cm-2的電流密度下，電極至少能穩定1500 h，超過了已報道的大多數催化劑。
這項工作不僅提供了一種高效、耐腐蝕的OER催化劑以促進海水電解的實際應用，而且為理解含氧陰離子對OER活性和穩定性的影響提供了一個新的視角，這將激勵人們開發簡單有效的策略來應對海水電解中的挑戰。
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