石墨烯包覆NiMo合金对析氧反应的影响——奇材进展

日本筑波大学团队工作，奇材馆整理

【引    言】

电化学水裂解是制备可再生能源载体氢气的关键技术。此外，它还可以提供基于可再生能源的环保能源解决方案。虽然贵金属电极可以获得高性能和长寿命，但这些电极的使用增加了水分解的成本，从而提高了水分解的效率阻止其广泛商业化。

然而，这些非贵金属电极的性能仍然无法与贵金属电极相媲美。通过控制与OER而不是HER相关联的过电位，可以改善电极性能，因为OER需要比HER高2-3倍的过电位；高过电位缩短电极寿命。此外，OER工艺的严重氧化反应条件会严重降解阳极，而HER工艺的还原反应条件对阴极降解的影响较小。为避免OER工艺中的电极降解，使用非贵金属氧化物基催化剂的耐用阳极是因为在氧化还原过程中表面氧化。

然而，金属氧化物基催化剂并不能完全阻止非贵金属的降解，而且氧化会降低阳极的性能，用碳纳米管和石墨烯等碳基材料包裹是一种很有前途的防止非贵金属降解的方法。这一策略已成功应用于包括燃料电池、锂离子电池和水电解在内的能量收集设备。已知催化活性可通过催化剂之间的电荷转移和石墨烯/碳的封装、高机械灵活性和优异的导电性来增强。然而，石墨烯包埋非贵金属的催化机理尚不清楚。例如：“尽管石墨烯被期望掩盖金属表面上的反应位点，限制其固有的催化活性，但石墨烯包封可以在不降低某 些催化活性的情况下防止催化剂降解”。

【成果简介】

日本的筑波大学Samuel Jeong团队在无过渡金属杂质的KOH水溶液中，用石墨烯包埋NiMo合金，在非贵金属阳极中实现高催化活性和高化学稳定性的技术。通过电化学分析表明，石墨烯包封显著提高了NiMo阳极的析氧反应（OER）活性，并提供了与商用阳极相当的长的电极寿命和性能。密度泛函理论计算表明，石墨烯包封显著降低了中间体在NiMo表面的吸附能，从而显著提高了OER活性。石墨烯包封法为提高水裂解电解槽的性能提供了一种很有前途的电极设计方法。该材料符合奇材馆理念，后续开发令人期待!

【图文导图】

图1.多孔NiMo合金的石墨烯包封示意图。a.石墨烯包覆NiMo基片的制备工艺。b.NiMo表面和石墨烯层的预期反应机理。C.电化学活化前后去除sio2纳米颗粒（白色颗粒）的SEM图像。

图2.石墨烯包覆NiMo合金阳极在过渡金属无杂质KOH电解液中的OER活性。a.石墨烯包封和不包封NiMo阳极的流体动力学伏安图。b.各种尼莫阳极的Tafel图。c.双电层电流密度随扫描速度的变化。d.在1000次循环前后沉积在泡沫镍上的各种尼莫阳极的循环伏安图。

图3.石墨烯包裹NiMo合金阳极在含KOH过渡金属杂质电解质中的OER活性与不含KOH过渡金属杂质电解质对比。

图4. a.中间体吸附的原子结构，b.在NiMo（100），多孔石墨烯/NiMo，和石墨烯/NiMo上发生OER过程对应的DFT计算吉布斯自由能。

【文献链接】

Effect of Graphene Encapsulation of NiMo Alloys on Oxygen Evolution Reaction（ACS Catalysis.DOI: 10.1021/acscatal.9b04134）

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