海胆状NiMoO_(4)纳米棒阵列作为高效双功能催化剂用于电催化及光伏驱动尿素电解

氢能因具有储量丰富、零排放和可再生等优点,受到各国在能源布局过程中的广泛关注.制氢是氢能源开发和利用的重要环节,其中电解水制氢技术可通过低能耗水分解获得氢气,具有很高的社会效益和经济效益.在电解水过程中,由于受析氧反应(OER)的缓慢动力学过程限制,电解水制氢体系在碱性介质中的理论工作电压高达1.23 V,增加了制氢能耗.在使用电化学催化剂的同时采用具有低热力学电势(0.37 V)的尿素氧化反应(UOR)代替OER,可降低制氢过程的能耗.本文采用水热反应结合煅烧反应在泡沫镍上生长了海胆状NiMoO_(4)纳米棒阵列,并将其作为双功能电催化剂,用于阴极析氢和阳极尿素氧化反应.结果表明,200℃煅烧产物(NiMoO_(4)-200/NF)表现出高效的析氢反应(HER)性能,在1.0 mol/L KOH中电流密度为10 mA cm^(-2)时的过电位仅为68 mV.而300℃煅烧产物(NiMoO_(4)-300/NF)表现出优异的析氧反应和尿素氧化反应活性.为了探究NiMoO_(4)纳米棒阵列在不同反应中催化性能差异的原因,通过各种表征手段对催化剂进行了结构及组成的表征.X射线衍射与高分辨透射电镜结果表明,200和300℃下的煅烧产物由NiMoO_(4)与NiMoO_(4)·xH_(2)O组成,而煅烧温度变化引起的电催化活性和选择性的差异则归因于产物不同的晶格氧含量.X射线光电子能谱结果表明,NiMoO_(4)-300/NF比NiMoO_(4)-200/NF含有更多的晶格氧;而对于高价态金属氧化物而言,催化剂中的晶格氧在电氧化过程中可以被激活并直接参与到阳极氧化反应过程,从而有利于析氧反应和尿素氧化反应的进行.另外,以NiMoO_(4)-300/NF和NiMoO_(4)-200/NF作为阳极和阴极组装尿素电解槽,可在1.38 V的电池电压下提供10 mA cm^(–2)的电流密度.将电极与商品太阳能板连接,NiMoO_(4)纳米棒阵列双电极可成功实现光电压驱动的尿素电解和制氢,表明其在太阳能驱动的能量转换方面具有巨大潜力.

NiFe-植酸复合物的室温制备及其全解水电催化性能

制备高稳定性、高活性双功能催化剂用于全解水制氢是氢能源大规模商业化应用的重要环节之一。本文以植酸(PA)、六水合氯化铁(FeCl_(3)·6H_(2)O)和六水合氯化镍(NiCl_(2)·6H_(2)O)为原料,采用两步室温浸渍法在泡沫镍(NF)上制备了片状无定形植酸-镍铁双金属复合材料(NiFe-PA)。采用线性扫描伏安法(LSV)考察了NiFe-PA修饰NF电极(NiFe-PA/NF)在碱性条件(1.0 mol/L KOH)的电解水催化性能。实验结果表明:由于NiFe双金属之间的协同效应,NiFe-PA/NF作为双功能催化剂显示出优越的析氧和析氢性能。NiFe-PA/NF电极在50 mA·cm^(-2)电流密度下析氧反应的过电位仅需220 mV;在10 mA·cm^(-2)电流密度下的析氢反应的过电位为135 mV。将NiFe-PA/NF组装成双电极系统用于全解水,达到10 mA·cm^(-2)电流密度的电池电压仅需1.61 V,低于贵金属催化剂体系RuO_(2)/NF||Pt-C/NF(1.64 V),同时,可满足2 V太阳能电池板在太阳光照条件下的驱动产氢。另外,基于PA金属配合物的高稳定性和抗腐蚀性能,NiFe-PA/NF在100 mA·cm^(-2)电流密度下的析氧反应和析氢反应催化稳定性可至少分别维持175 h和75 h,表明NiFe-PA/NF在高电流密度下具有高催化稳定性。