Nature Energy：磁热处理策略克服低温碱性电解水瓶颈

研究背景

化石能源的大量使用导致环境问题日益严重，而氢气以化学键储能作为新型的清新能源具有很大的发展潜力。水电解是未来制备氢气的清洁方式之一。目前最先进的（高能量和高效率）水系电解槽是酸性质子交换膜（PEM）电解槽，然而其电极材料是贵金属，成本高，耐久性不足，阻碍了其大规模商业化的发展。研究发现碱性水电解槽（AWE）可使用非贵金属来制备催化剂（例如镍），储量丰富且具有良好的经济效益。美中不足的是工作电流和中等能量效率较低。为了改善这一不足，近年来研究者通过对非贵金属基催化剂进行组分及形貌调控，使其在碱性介质中的性能显著提升，但其效率仍低于酸性质子交换膜电解槽。

众所周知，提升电极的工作温度可以提升其性能，但传统的加热系统是以全局加热为理念，这就导致了能量成本的增加，同时降低了耐用性，也加快了电极材料和整个AWE电池的腐蚀速率。因此，急需寻求更为有效的解决方法。目前，在癌症治疗中，以磁热处理磁性纳米颗粒使其在外部高频交变磁场作用下产生局部强热，释放热量破坏癌细胞从而能够达到治愈癌症的效果。那么基于磁热处理来对AWE体系进行处理，就有望实现催化体系的局部加热，为提高整个体系能量效率提供思路。

成果简介

近日，格勒诺布尔-阿尔卑斯大学Marian Chatenet教授和图卢兹大学Julian Carrey教授开创性地将磁加热技术应用于碱性水电解槽。采用镍包覆的碳化铁纳米颗粒作为催化剂，在高频交变磁场下(AMF)产生局部加热效应，将其用于AWE流动电解池，该策略取得了理想的结果。在20 mA/cm²电流密度下，析氧（OER）过电位降低了200 mV、析氢（HER）过电位降低了100 mV。其中OER动力学的提升相当于把电池的温度升高至200°C，而实际上该电池温度只升高了5℃。

本文亮点

（1）磁热效应用于碱性水电解；

（2）20 mA/cm²电流密度下，析氧过电位降低200 mV，析氢过电位降低100 mV；

（3）析氧动力学的提升相当于把电池的温度升高至200°C（实际上仅升温5℃）。

图文导读

图1. MNPs在AMF中电解水原理示意图

(a) 在产生AMF的线圈内工作的AWE电池的一般表示，电解池由可再生能源提供电力；

(b) 电解AWE流动电池构建示意图。

图1阐述了MNPs在AMF中局部加热提升水电解原理示意图。AMF的磁热处理作用于碳布上的FeC-Ni催化剂，避免了整个电解池受热升温，减少了能量的消耗和有效利用。

图2在AMF条件下，OER性能测试的电极电势及其欧姆压降校正电极电势图

(a) 不同振幅AMF下1 mg/cm² FeC-Ni在35 mA恒流测试OER的电极电势；

(b) 不同振幅AMF下1 mg/cm² FeC-Ni在35 mA恒流测试OER的欧姆压降校正电极电势；

(c) 不同振幅AMF下碳布在21 mA电流时的相同测试

图2(a)和(b)分别展示了在AMF条件下， 1 mg/cm² FeC-Ni在35 mA恒流条件下，OER性能测试的电极电势及其欧姆压降校正电极电势。从图中可以看出，在35 mA恒电流条件下，AMF的存在有利于提高OER的电催化性能。图2(c)展示了在没有FeC-Ni催化剂存在的条件下，AMF对OER的电压响应曲线几乎没有影响。以上数据说明AMF对OER催化性能的影响是作用于FeC-Ni催化剂上的。

图3在AMF不同振幅条件下，对应的HER（OER）的性能图

(a)  1 mg/cm² FeC-Ni在1M KOH溶液中不同振幅AMF下FeC-Ni催化电极HER性能 （电流-准静态电势）；

(b)  1 mg/cm² FeC-Ni在1M KOH溶液中不同振幅AMF下FeC-Ni催化电极HER性能（电流-准静态电势）；

(c), (d)分别为相应的(a), (b)欧姆压降校正后的电压值。

图3展示了1 mg/cm² FeC-Ni在1 M KOH溶液中，在AMF不同振幅条件下，对应的HER（OER）的性能均得到改善，且随着振幅的增大，其过电势相应增大（降低）。其中对于OER反应结果来说，过电势改善更加明显（图3b）。

图4全水解过程中的HER和OER的性能图

(a)  电解池电压与电流密度关系,未经过欧姆压降校正;

(b)  电解池电压与电流密度关系, 经过欧姆压降校正。

经过单电极反应测试之后，研究者制备了双功能电池用于全水解，在此基础上同时测试了HER和OER的性能。结果表明，当电流为70 mA，AMF为48 mT振幅下，全电池的电压降低了100 mV左右。以上实验结果表明：AMF对OER的促进作用源于加快对其反应动力学，用样的FeC-Ni催化剂对于HER也起着促进作用。另外，在全电池操作条件下，经过磁热处理的FeC-Ni催化剂其OER性能（20-60℃）超出了其它商用贵金属催化剂，仅微低于RuO/C。在未来，在AMF条件下所导致的优异OER和HER性能也有可能是较先进的。另外经过磁热处理和电催化性能测试，FeC-Ni还保持了较高的催化稳定性。

从纯能量的前景来看，该研究表明将高频磁场作用于FeC-Ni NPs可以降低水电解过电压(特别是OER)。另外，该策略能否真正应用于在工业化电解水，取决于它是否能有效地产生局部热量，提高局部温度，增强OER性能。目前，仅仅通过一个简单的计算来预测催化剂纳米颗粒的表面温度，来作为评价能量消耗的标准是不够充分的。实验结果表明，磁加热的纳米粒子的局部温度比热扩散速度比所预测的结果要大得多。换句话说，能量计算的温度要远远高于催化剂纳米颗粒在高频AMF的表面温度。此外还要考虑的是，电催化剂其较高的OER过电位不仅会增加该过程的能量成本，而且还会在高电位值和高氧化条件下加速电池组分的降解。

总结与展望

研究者在磁热效应治疗癌变细胞的基础上，成功将AMF策略应用到水电解上，提高了电催化性能。该策略通过辅助局部加热使得纳米粒子在消耗更小能量的前提下获得更大的收益，为碱性水电解槽在室温下高效运行提供了新的借鉴！同时该方案对于电化学中其他领域（比如氧还原，有机小分子电料电池等）同样具有较大的发展前景。

原文信息

Improved water electrolysis using magnetic heating of FeC–Ni core–shell nanoparticles (Nature Energy. DOI: 10.1038/s41560-018-0132-1, https://doi.org/10.1038/s41560-018-0132-1)