一種低成本的Co/Ni二元納米顆粒修飾的CW電極

不可再生燃料資源的迅速枯竭造成的能源短缺是全球最緊迫的挑戰(zhàn)之一。由于氫氣具有很高的能量密度，而且在加工過程中對環(huán)境的影響可以忽略不計，因此通過電化學(xué)裂水從水中生產(chǎn)清潔的氫氣和氧氣特別有吸引力。陽極析氧反應(yīng)(OER)和陰極析氫反應(yīng)(HER)涉及的兩個電化學(xué)裂水反應(yīng)都需要大量的活化過電位(η)。

來自東北林業(yè)大學(xué)，美國馬里蘭大學(xué)等單位的研究人員利用廉價、環(huán)保的木材基材，采用一步煅燒的方法將Co-Ni二元納米粒子沉積到定向的木材通道中，制備了一種高效的炭化木材電極(簡稱Co/Ni-CW)，并對Co/Ni-CW電極進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，Co/Ni-CW電極具有良好的電化學(xué)性質(zhì)。相關(guān)論文發(fā)布在Advanced Functional Materials。

論文鏈接： https://doi.org/10.1002/adfm.202010951

本文通過木材基體上的羥基與浸泡金屬離子之間的配位鍵，得到了分布均勻的Co-Ni納米粒子。隨后，高溫煅燒促進(jìn)了Co-Ni納米粒子的形核和CW的形成。由于Co-Ni納米粒子的均勻分布和多孔的木材結(jié)構(gòu)不僅具有高活性的表面積，而且增強了電子和質(zhì)量擴散路徑。因此，所制備的Co/Ni-CW a?在330mV和157mV的低過電位下分別具有10 mA cm-2的析氧電流密度和157mV的析氫電流密度。值得注意的是，當(dāng)木基雙功能電催化劑同時用作陽極和陰極時，需要1.64V的低電池電壓才能達(dá)到10 mA cm-2的電流密度。與大多數(shù)用于雙功能電催化劑的底物相比，木基催化劑的豐度、低成本、環(huán)保和易操作等特點使得它可以作為分解水和許多其他儲能裝置的活性電極和可擴展電極。

圖1.多孔結(jié)構(gòu)、均勻分布的Ni/Co納米顆粒炭化木質(zhì)電極的工作原理。

圖2.a)照片和b)天然木材經(jīng)Co2+和Ni2+浸泡后的掃描電鏡圖像。

圖3.a)碳化木材上負(fù)載的Co/Ni二元納米粒子的TEM圖像和元素映射。

圖4.a)通過標(biāo)準(zhǔn)化到ECSA、Co/Ni-CW、Co-CW和Ni-CW上的OER極化曲線。

圖5.a)雙電極配置示意圖，其中Co/Ni-CW同時用作陽極和陰極，可用于整體的水分離。

綜上所述，本文展示了一種低成本的Co/Ni二元納米顆粒修飾的CW電極，用于有效地分解水。與典型的電極底物不同，含有大量羥基的天然木材可以作為一種有效的底物，通過配位鍵將金屬陽離子錨定在細(xì)胞壁上。進(jìn)一步的高溫煅燒有利于CW和Co/Ni二元納米粒子的形成。由于天然木材獨特的多孔結(jié)構(gòu)和均勻分布在木材通道中的Co/Ni納米顆粒，低成本的CW電極為電子、離子和氣體的有效傳輸提供了一條特殊的三通道。因此，當(dāng)電流密度為10 mA cm-2時，OER的過電位為330 mV，HER的過電位為157mV。此外，在10 mA cm-2的電流密度下，CW電極表現(xiàn)出1.64V的低電池電壓，以及作為陽極和陰極的整體水分裂的良好的循環(huán)耐久性。密度泛函(DFT)分析表明，Co/Ni二元納米粒子與CW非均相界面上H2O分子的有效吸附和裂解是其良好電催化性能的主要原因。重要的是，天然豐富和低成本的木材是電催化行業(yè)生產(chǎn)可伸縮能源燃料的替代基材。這種基于天然木材的簡單而有效的煅燒策略為制備三維結(jié)構(gòu)和多孔電極材料提供了一個非常有前途的方向，適用于各種儲能、電化學(xué)催化和電子應(yīng)用。

審核編輯 ：李倩