来源:Nano Research Energy 发布时间:2022/9/22 9:46:20
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苯甲酸根插层NiFe-LDH纳米片阵列助力高效稳定的海水电解!

2022年8月12日,清华大学主办的高起点能源期刊Nano Research Energy (https://www.sciopen.com/journal/2790-8119)副主编、电子科技大学基础与前沿研究院孙旭平教授在Nano Research Energy发表题为“Benzoate anions-intercalated NiFe-layered double hydroxide nanosheet array with enhanced stability for electrochemical seawater oxidation”的最新研究成果。

氢能是一种具有高能量密度和环境友好性的能源载体。电解水制氢作为一种简便、经济、生态友好的制氢技术,在日益增长的全球能源需求方面脱颖而出。目前,许多低成本的水电解槽被开发。但是几乎所有的体系都使用淡水资源作为电解液,这无疑给淡水资源带来沉重的压力。如果直接电解海水生产氢气,氢气作为燃料又会生产高纯度淡水,将同时实现海水净化和产氢的目的。但海水中高浓度的氯离子不仅会在阳极发生氯氧化反应与电解水的析氧反应发生竞争,也会腐蚀析氧反应催化剂。因此,开发高效且稳定的析氧反应催化剂用于电解海水制氢成为具有挑战性的研究课题。

针对以上挑战,电子科技大学基础与前沿研究院孙旭平教授团队报告了最近的发现,即生长在碳布上的苯甲酸根插层NiFe-LDH纳米片阵列(BZ-NiFe-LDH/CC)可作为一种高效且稳定的析氧反应电催化剂。在碱性海水氧化过程中,BZ-NiFe-LDH/CC能提供大的LDH层间距,抑制氯(电)化学腐蚀,缓解电极局部pH下降。BZ-NiFe-LDH/CC只需要320 mV的过电位即可在1 M KOH中达到500 mA cm-2的电流密度。与NiFe-LDH/CC在长时间电解过程中的快速活性衰减相比,BZ-NiFe-LDH/CC可在碱性海水中以500 mA·cm–2的工业级电流密度实现稳定的100小时电解。原位拉曼光谱研究进一步确定了海水氧化过程中无序 δ(NiIII-O)的结构变化。

图1. 苯甲酸根插层NiFe-LDH稳定海水氧化策略的示意图。 (a) NiFe-LDH 和 (b) BZ-NiFe-LDH。 

图2. (a) NiFe-LDH/CC,BZ-NiFe-LDH/CC和RuO2/CC在1 M KOH中的析氧反应极化曲线, (b) 不同催化剂的相应塔菲尔图。 (c) BZ-NiFe-LDH/CC在不同电解液中的析氧反应极化曲线。 (d) BZ-NiFe-LDH/CC在不同电解液中达到 100, 200 和 500 mA cm-2所需的过电势的比较。 (e) 不同海水氧化电催化剂达到电流密度为100 mA cm-2所需的过电势的比较。

图3. (a) BZ-NiFe-LDH/CC和NiFe-LDH/CC在碱性海水中分别在2.24 V和2.41 V的固定电位下的计时电流曲线。 (b) BZ-NiFe-LDH/CC 和 (c) NiFe-LDH/CC在碱性海水中进行耐久性测试后的SEM图像。 (d) BZ-NiFe-LDH/CC和NiFe-LDH/CC在碱性海水中稳定性测试后的XRD谱图。 (e) BZ-NiFe-LDH/CC和NiFe-LDH/CC在碱性海水中进行耐久性试验后电解质的Fe和Ni浓度和数码照片(插图)。 (f) BZ-NiFe-LDH/CC在碱性海水中耐久性试验前后的Fe 2p和Ni 2p的原子比 (%)。 (g) BZ-NiFe-LDH/CC与文献报道的其他海水氧化电催化剂的稳定性比较。

图4. (a) BZ-NiFe-LDH/CC在碱性海水氧化反应的原位拉曼光谱。 (b) I455/I529和I471/I551的演变与Ni2+和Ni3+位点的电位和电子配置。 (c) 浅蓝色区域对应于BZ-NiFe-LDH/CC从1.2 V到1.8 V的v(NiII-O)相变,而浅粉色区域显示BZ-NiFe-LDH/CC从1.9 V到2.5 V的δ(NiIII-O)变化。(d)BZ-NiFe-LDH/CC和(e)NiFe-LDH/CC在1.9 V电位下在碱性海水中电解30小时的原位拉曼光谱。 (f) BZ-NiFe-LDH/CC电极表面发生碱性海水氧化的变化。

相关论文信息:

Zhang, L. C.; Liang, J.; Yue, L. C.; Dong, K.; Li, J.; Zhao, D. L.; Li, Z. R.; Sun, S. J.; Luo, Y. S.; Liu, Q.; Cui, G. W.; Alshehri, A. A.; Guo, X. D.; Sun, X. P. Benzoate anions-intercalated NiFe-layered double hydroxide nanosheet array with enhanced stability for electrochemical seawater oxidation. Nano Res. Energy 2022, 1: e9120028. DOI: 10.26599/NRE.2022.9120028. https://doi.org/10.26599/NRE.2022.9120028

作为Nano Research姊妹刊,Nano Research Energy (ISSN: 2791-0091; e-ISSN: 2790-8119; 官网: https://www.sciopen.com/journal/2790-8119)于2022年3月创刊,由清华大学曲良体教授和香港城市大学支春义教授共同担任主编。Nano Research Energy是一本国际化的多学科交叉,全英文开放获取期刊,聚焦纳米材料和纳米科学技术在新型能源相关领域的前沿研究与应用,对标国际顶级能源期刊,致力于发表高水平的原创性研究和综述类论文。2023年之前免收APC费用,欢迎各位老师踊跃投稿。投稿请联系:NanoResearchEnergy@tup.tsinghua.edu.cn。

 
 
 
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