電解水作為一種新興的可再生能源轉換和儲存技術,在解決日益嚴重的能源危機和環(huán)境問題方面?zhèn)涫荜P注。這是因為電解水技術被認為是一種合理的策略,可以在實現(xiàn)高效產(chǎn)氫。特別是,人們已經(jīng)認識到,與陰極的析氫反應(HER)相比,析氧反應(OER)是一種更重要的和更具挑戰(zhàn)性的半反應,由于其動力學緩慢,更復雜的多步反應以及多種反應中間體,嚴重限制了全解水的效率。一般情況下,OER過程可以發(fā)生在酸性、中性和堿性介質(zhì)中,其反應動力學能壘和途徑顯著依賴于電解質(zhì)的pH值。在不同的OER條件中,酸性條件下的OER在實際工業(yè)應用中變得至關重要,因為酸性介質(zhì)中的質(zhì)子交換膜水電解槽(PEMWEs)相比于堿性水電解槽具有多種優(yōu)勢,包括優(yōu)異的質(zhì)子電導率、高電流密度和電化學穩(wěn)定性等。因此,開發(fā)酸性條件下的高效OER電催化劑至關重要。
基于此,東國大學Jung Inn Sohn等人合成了由Co,F(xiàn)e,Ni,Mo,W和Te組成的非貴金屬高熵硫系玻璃(N-HECGs)催化劑,其在酸性介質(zhì)中展現(xiàn)出了優(yōu)異的OER性能。
本文在室溫條件下以及酸性介質(zhì)(0.5 M H2SO4,pH≈0.30)中,測試了N-HECGs的酸性OER性能。為了更直觀的比較,本文還制備了Co3O4作為代表性的非貴金屬氧化物催化劑。正如預期的那樣,CoFeNiMoWTe N-HECGs表現(xiàn)出了優(yōu)異的OER活性,其過電位僅為373 mV(10 mA cm-2),低于CoFeNiMoW HEA(395 mV)和Co3O4(437 mV)。此外,研究發(fā)現(xiàn),與制備的電催化劑相比,純碳紙的催化性能可以忽略不計。除了過電位,在10 mA cm-2的電流密度附近,CoFeNiMoWTe、CoFeNiMoW和Co3O4的Tafel斜率分別為66.8、77.6和96.1 mV dec-1,這也表明CoFeNiMoWTe具有較快的反應電動力學。
此外,與CoFeNiMoW(5.48 Ω)和Co3O4(8.25 Ω)相比,CoFeNiMoWTe具有4.06 Ω的最低電荷轉移電阻。以上研究結果均能證明CoFeNiMoWTe具有優(yōu)異的OER性能。為了進一步展示CoFeNiMoWTe催化劑在酸性水電解槽中的實際應用潛力,本文將制備的電催化劑作為陽極,商業(yè)Pt/C作為陰極,進行了相應的測試。令人興奮的是,在70 ℃下,CoFeNiMoWTe基電解槽僅需1.81 V的電壓即可達到1 A cm-2的電流密度,這表明與CoFeNiMoW基電解槽(1.87 V)相比,CoFeNiMoWTe基電解槽的酸性電解水活性有所提高。
總之,本文的重點是將基本的高熵(HE)概念引入到硫族玻璃(HECGs)結構的催化劑中,以開發(fā)此前從未被證明的高熵硫族玻璃(HECGs)體系,而它們的催化性能也幾乎沒有被探索。為此,本文選擇Co、Fe、Ni作為活性三維過渡金屬元素,Mo、W作為鈍化金屬元素,Te作為非金屬元素,設計開發(fā)了活性和穩(wěn)定性平衡的非貴金屬OER電催化劑。其中,理論和實驗預測這種協(xié)同的非貴金屬多金屬體系在酸性電解質(zhì)中具有熱力學穩(wěn)定和活性,并且Te元素具有最豐富的電子態(tài)和廣泛的配位數(shù),有利于增強玻璃成型能力(GFA),提高催化劑的催化活性。
值得注意的是,本文通過簡單的制備方法就合成了由Co、Fe、Ni、Mo、W和Te組成的非貴金屬HECGs(N-HECGs)電催化劑。本文的表征結果以及測試結果表明,與不含Te元素的球形CoFeNiMoW電催化劑相比,本文合成的非晶態(tài)CoFeNiMoW N-HECGs納米片陣列具有更多的活性位點和較高的金屬價態(tài),而CoFeNiMoW電催化劑則具有非晶態(tài)和晶態(tài)混合結構。本文的研究還發(fā)現(xiàn),CoFeNiMoWTe催化劑優(yōu)異的酸性OER性能可以解釋為其高混合熵和高耐腐蝕能力的綜合作用,以及其獨特的幾何化學結構與活性位點和價態(tài)的升高。綜上所述,本文的發(fā)現(xiàn)為設計和開發(fā)高效耐用的非貴金屬電催化劑提供了新的見解,并有望用于實際的PEMWE。
Nonprecious High-Entropy Chalcogenide Glasses-Based Electrocatalysts for Efficient and Stable Acidic Oxygen Evolution Reaction in Proton Exchange Membrane Water Electrolysis,?Advanced Energy Materials,?2023, DOI: 10.1002/aenm.202301420.
https://doi.org/10.1002/aenm.202301420.
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